ES2785153T3 - Procedure and apparatus for the manufacture of a mechatronic system by three-dimensional printing - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de fabricación de un sistema mecatrónico que comprende: - una etapa de fabricación de una estructura mecánica (SM) por impresión tridimensional por depósito de hilo fundido de al menos un primer material (M1) eléctricamente aislante (M1); y - una etapa de fabricación de al menos un componente eléctrico (CE) en contacto con al menos un elemento de dicha estructura mecánica y solidario con ella; dicha etapa de fabricación de al menos un componente eléctrico se implementa por impresión tridimensional por depósito de hilo fundido de al menos un segundo material (M2), conductor o resistivo, directamente en contacto con dicho elemento de la estructura mecánica, caracterizado porque dicho o un dicho componente eléctrico es un transductor (JC1, JC2), incluyendo el procedimiento, igualmente, una etapa de recocido local implementada durante o después del depósito de una capa del primer o del segundo material, en correspondencia de dicho depósito.Manufacturing method of a mechatronic system comprising: - a manufacturing step of a mechanical structure (SM) by three-dimensional printing by depositing molten wire of at least one first electrically insulating material (M1) (M1); and - a manufacturing step of at least one electrical component (CE) in contact with at least one element of said mechanical structure and integral with it; said manufacturing step of at least one electrical component is implemented by three-dimensional printing by depositing molten wire of at least one second material (M2), conductive or resistive, directly in contact with said element of the mechanical structure, characterized in that said or a said electrical component is a transducer (JC1, JC2), the method also including a local annealing stage implemented during or after depositing a layer of the first or second material, corresponding to said deposit.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Procedimiento y aparato para la fabricación de un sistema mecatrónico por impresión tridimensionalProcedure and apparatus for the manufacture of a mechatronic system by three-dimensional printing

La invención trata sobre un procedimiento de fabricación de un sistema mecatrónico, así como sobre un aparato de fabricación adaptado para implementar un procedimiento de este tipo. La invención se basa en unas técnicas de impresión tridimensional (3D), denominada también fabricación aditiva. Se presta a unas aplicaciones muy numerosas, como, por ejemplo, la fabricación de:The invention relates to a method of manufacturing a mechatronic system, as well as to a manufacturing apparatus adapted to implement such a method. The invention is based on three-dimensional (3D) printing techniques, also called additive manufacturing. It lends itself to many applications, such as, for example, the manufacture of:

- sensores fisiológicos o de actividad portátiles (de ritmo cardíaco, glucemia...);- portable physiological or activity sensors (heart rate, blood glucose ...);

- dispositivos de rehabilitación;- rehabilitation devices;

- interfaces de interacción bi o tridimensionales;- two- or three-dimensional interaction interfaces;

- objetos conectados;- connected objects;

- etc.- etc.

Hoy en día, las técnicas de fabricación aditiva (o impresión 3D) conocen un auge importante en diferentes campos y se preparan para revolucionar el sector industrial, pero, igualmente, el modo de consumo de los particulares. Estos últimos años se han elaborado diferentes procedimientos, con el fin de diseñar una gran variedad de objetos y estructuras mecánicas. Permiten controlar las propiedades mecánicas locales o globales o también la apariencia de los objetos (ej., color o textura). No obstante, estos procedimientos no producen más que unos objetos pasivos, sin capacidades de percibir o de actuar sobre el entorno.Today, additive manufacturing techniques (or 3D printing) are experiencing an important boom in different fields and are preparing to revolutionize the industrial sector, but also the mode of consumption of individuals. In recent years, different procedures have been developed in order to design a great variety of objects and mechanical structures. They allow you to control local or global mechanical properties or also the appearance of objects (eg color or texture). However, these procedures do not produce more than passive objects, without the ability to perceive or act on the environment.

Para hacer estos objetos activos, hay que integrar ahí unos componentes y funciones electrónicos, que, en la actualidad, se fabrican por separado, por unos métodos sustancialmente sustractivos, luego, se ensamblan con una estructura mecánica en unas cadenas industriales para la realización de un objeto final. La integración de funciones electrónicas dentro de una estructura mecánica no planar y sin ensamblaje es un desafío.To make these active objects, electronic components and functions must be integrated there, which, at present, are manufactured separately, by substantially subtractive methods, then, they are assembled with a mechanical structure in industrial chains for the realization of a final object. Integrating electronic functions within a non-planar, non-assembly mechanical structure is challenging.

Estos últimos años, unos numerosos actores se han interesado en el uso de materiales de polímeros para la realización de una electrónica denominada maleable u orgánica. Esta rama de la electrónica es relativamente reciente, puesto que los primeros polímeros conductores se elaboraron en 1977 y los primeros componentes electrónicos que usan estos materiales surgieron a mediados de los años 1980. Hoy en día, la electrónica orgánica permite realizar unos numerosos componentes electrónicos, como los transistores de efecto de campo (OFET), las células fotovoltaicas (OPV), los diodos electroluminiscentes orgánicos (OLED), unos biosensores electroquímicos, incluso unos actuadores a base de polímeros electroactivos (EAPS). Para realizar esta electrónica se han desarrollado unos nuevos procedimientos y, en este momento, ciertos de ellos se usan a escala industrial, como la impresión en banda continua o rotativa (flexografía, huecograbado, ...). La impresión por chorro de tinta (IJP) y por chorro de aerosol (AJP), que forman parte de los procedimientos de impresión 3D, permiten realizar ciertos componentes electrónicos orgánicos, en concreto, unos sensores [Muth, 2014; Sitthi-Amorn, 2015] y, actualmente, son objeto de investigaciones intensas sobre este tema.In recent years, a number of actors have been interested in the use of polymer materials for the realization of so-called malleable or organic electronics. This branch of electronics is relatively recent, since the first conductive polymers were made in 1977 and the first electronic components using these materials emerged in the mid-1980s. Today, organic electronics make it possible to make a number of electronic components, such as field effect transistors (OFET), photovoltaic cells (OPV), organic light-emitting diodes (OLED), electrochemical biosensors, even electroactive polymer-based actuators (EAPS). To carry out this electronics, new procedures have been developed and, at this moment, certain of them are used on an industrial scale, such as continuous or rotary web printing (flexography, gravure, ...). Ink jet printing (IJP) and aerosol jet printing (AJP), which are part of 3D printing procedures, make it possible to make certain organic electronic components, specifically, sensors [Muth, 2014; Sitthi-Amorn, 2015] and are currently the subject of intensive research on this topic.

No obstante, estos procedimientos no producen más que unos componentes sobre unos sustratos planares [Rossiter, 2009] o que necesitan unas operaciones suplementarias de ensamblaje, que, por lo tanto, no permiten el diseño de estructuras 3D mecatrónicas completas. Recientemente, se ha propuesto usar unos polímeros conductores con el procedimiento de impresión 3D por depósito de filamento fundido (f Dm , del inglés "Fused Deposition Modeling") para imprimir unos sensores de presión sobre unos objetos 3D [Leigh, 2012]. Igualmente, se ha propuesto usar unos termoplásticos funcionales para la impresión de componentes elementales, tales como unas antenas [O'Brien, 2015]. However, these procedures do not produce more than a few components on planar substrates [Rossiter, 2009] or that require additional assembly operations, which, therefore, do not allow the design of complete mechatronic 3D structures. Recently, it has been proposed to use conductive polymers with the fused filament deposition 3D printing process (f Dm, from English "Fused Deposition Modeling") to print pressure sensors on 3D objects [Leigh, 2012]. Likewise, it has been proposed to use functional thermoplastics for printing elemental components, such as antennas [O'Brien, 2015].

Ya se ha demostrado el potencial de los compuestos de matriz de polímero para unas numerosas aplicaciones, como los sensores y actuadores: [Coiai, 2015], [Deng, 2014]. Por lo demás, la ciencia de los nanocompuestos y de las nanopartículas (nanoarcillas catiónicas, nanoarcillas aniónica, nanopartículas de metal noble, nanotubos de carbono, etc.) ha permitido una mejor comprensión y un mejor control de los procedimientos de síntesis de estos materiales. En particular, los termoplásticos que incorporan unas cargas de carbono son prometedores para la fabricación de sensores, por ejemplo, de deformación, de fuerza, de temperatura, electroquímicos (detección de líquido o gas), etc. Unos compuestos con un núcleo metálico (por ejemplo, de cobre) y una matriz termoplástica, desarrollados e integrados en una impresora FDM, permiten realizar unas galgas extensométricas, se conocen, igualmente (véase US 2014/328964).The potential of polymer matrix composites has already been demonstrated for a number of applications, such as sensors and actuators: [Coiai, 2015], [Deng, 2014]. Furthermore, the science of nanocomposites and nanoparticles (cationic nanoclays, anionic nanoclays, noble metal nanoparticles, carbon nanotubes, etc.) has allowed a better understanding and better control of the synthesis procedures of these materials. In particular, thermoplastics that incorporate carbon fillers are promising for the manufacture of sensors, for example, strain, force, temperature, electrochemical (liquid or gas detection), etc. Compounds with a metal core (for example, copper) and a thermoplastic matrix, developed and integrated in an FDM printer, allow making strain gauges, are also known (see US 2014/328964).

En la actualidad, sin embargo, no es posible fabricar por impresión 3D unos sistemas mecatrónicos completos. Unos procedimientos híbridos permiten hoy en día esto, pero con unas potencialidades limitadas. La más exitosa de entre ellas es la plataforma de Voxel8 (www.voxel8.co), derivada de la Universidad de Harvard, que combina el FDM para la estructura del objeto, una tinta metálica para las pistas conductoras del circuito y un sistema de posicionamiento de componentes discretos.At present, however, complete mechatronic systems cannot be 3D printed. Today, hybrid procedures allow this, but with limited potentialities. The most successful of these is the Voxel8 platform (www.voxel8.co), derived from Harvard University, which combines the FDM for the object structure, a metallic ink for the conductive tracks of the circuit and a positioning system. of discrete components.

Se conoce por el documento US 2015/173.203 un procedimiento de fabricación de un sistema mecatrónico que comprende un componente eléctrico. No obstante, este componente eléctrico no es un transductor. El documento US 2015/173.203 divulga, igualmente, un aparato para la implementación de dicho procedimiento que comprende tres cabezales de impresión solidarios. A method for manufacturing a mechatronic system comprising an electrical component is known from document US 2015 / 173,203. However, this electrical component is not a transducer. Document US 2015 / 173,203 also discloses an apparatus for the implementation of said procedure that comprises three integral print heads.

Se conoce, igualmente, por el documento WO 2014/209.994 un aparato para la implementación de un procedimiento con depósito de hilo fundido que comprende varios cabezales de impresión que pueden pilotarse independientemente. Por lo demás, el documento US 2010/0021580 A1 divulga un aparato de fabricación aditiva según el preámbulo de la reivindicación 7.It is also known from document WO 2014 / 209,994 an apparatus for the implementation of a process with a molten yarn deposit comprising several recording heads that can be controlled independently. Furthermore, document US 2010/0021580 A1 discloses an additive manufacturing apparatus according to the preamble of claim 7.

La invención tiene como objetivo superar los inconvenientes y limitaciones citados anteriormente de la técnica anterior. Más particularmente, tiene como objetivo permitir la fabricación, en una sola pieza y por un mismo procedimiento de impresión 3D, del subsistema mecánico y de al menos una parte del subsistema eléctrico de un sistema mecatrónico. El término "eléctrico" debe interpretarse en el sentido amplio, que consta de unas funcionalidades de tipo electrónico y/o electromagnético, incluso optoelectrónico.The invention aims to overcome the aforementioned drawbacks and limitations of the prior art. More particularly, its objective is to allow the manufacture, in a single piece and by the same 3D printing process, of the mechanical subsystem and of at least a part of the electrical subsystem of a mechatronic system. The term "electrical" must be interpreted in the broad sense, consisting of functionalities of an electronic and / or electromagnetic type, including optoelectronic.

De conformidad con la invención, esta finalidad se alcanza usando la técnica de impresión tridimensional por depósito de hilo fundido para fabricar a la vez una estructura mecánica y al menos un componente eléctrico (pista conductora, resistencia, sensor...) solidario con dicha estructura, por ejemplo, dispuesto en su superficie. Esto necesita el uso de al menos dos materiales distintos: un primer material, eléctricamente aislante, usado para imprimir la estructura y al menos un segundo material, conductor o resistivo, usado para imprimir el o los componentes eléctricos. De este modo, se evitan los inconvenientes de las técnicas híbridas: sobrecoste debidos a las etapas de ensamblajes, fragilidad mecánica, espacio necesario...In accordance with the invention, this purpose is achieved by using the three-dimensional printing technique by depositing molten wire to manufacture both a mechanical structure and at least one electrical component (conductive track, resistance, sensor ...) integral with said structure. , for example, arranged on its surface. This necessitates the use of at least two different materials: a first material, electrically insulating, used to print the structure and at least a second material, conductive or resistive, used to print the electrical component (s). In this way, the inconveniences of hybrid techniques are avoided: extra cost due to assembly stages, mechanical fragility, necessary space ...

Por lo tanto, un objeto de la invención es un procedimiento de fabricación de un sistema mecatrónico de conformidad con la reivindicación 1.Therefore, an object of the invention is a method of manufacturing a mechatronic system according to claim 1.

También otro objeto de la invención es un aparato para la implementación de un procedimiento, tal como se ha mencionado más arriba, de conformidad con la reivindicación 7.Also another object of the invention is an apparatus for implementing a method, as mentioned above, in accordance with claim 7.

Otras características, detalles y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a la lectura de la descripción hecha con referencia a los dibujos adjuntos dados a título de ejemplo y que representan, respectivamente:Other characteristics, details and advantages of the invention will become apparent upon reading the description made with reference to the accompanying drawings given by way of example and representing, respectively:

- la figura 1, el esquema funcional de un aparato según un modo de realización de la invención;FIG. 1, the functional diagram of an apparatus according to an embodiment of the invention;

- las figuras 2A - 2C, una representación esquemática de una etapa de recocido local de un procedimiento de fabricación según la invención;FIGS. 2A-2C, a schematic representation of a local annealing stage of a manufacturing process according to the invention;

- la figura 3, una boquilla de pulverización de un promotor de adhesión usada en un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención;FIG. 3 a spray nozzle of an adhesion promoter used in a manufacturing process according to an embodiment of the invention;

- las figuras 4A - 4E, diferentes patrones conductores realizados por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención;FIGS. 4A-4E, different conductive patterns made by a manufacturing process according to an embodiment of the invention;

- las figuras 5A - 5C, unos gráficos que ilustran la evolución de la resistencia de diferentes patrones resistivos realizados por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención en función de sus parámetros geométricos;FIGS. 5A-5C, graphs illustrating the evolution of the resistance of different resistive patterns made by a manufacturing process according to an embodiment of the invention as a function of their geometric parameters;

- las figuras 6A y 6B, unas piezas de prueba de tracción equipadas con galgas extensométricas uniaxiales, realizados por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención;FIGS. 6A and 6B, tensile test pieces equipped with uniaxial strain gauges, made by a manufacturing process according to an embodiment of the invention;

- las figuras 7a - 7C, unos gráficos que ilustran los resultados de mediciones efectuadas durante pruebas de tracción de piezas de prueba del tipo ilustrado en las figuras 6A y 6B;Figures 7a-7C, graphs illustrating the results of measurements made during tensile tests of test pieces of the type illustrated in Figures 6A and 6B;

- la figura 8, un sensor de flexión bidimensional realizado por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención;FIG. 8 a two-dimensional bending sensor produced by a manufacturing process according to an embodiment of the invention;

- las figuras 9A - 9E, la secuencia de fabricación de un sensor de fuerza multiaxial realizado por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención y la figura 9F, una vista lateral de este sensor; - la figura 10, una vista en corte de un sensor acústico realizado por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención;Figures 9A-9E, the manufacturing sequence of a multiaxial force sensor carried out by a manufacturing process according to an embodiment of the invention and Figure 9F, a side view of this sensor; FIG. 10 is a sectional view of an acoustic sensor produced by a manufacturing method according to an embodiment of the invention;

- las figuras 11A a 11H, unos diagramas de flujo que ilustran un algoritmo de generación de un archivo de impresión para una resistencia eléctrica realizada por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invención;FIGS. 11A to 11H, flow diagrams illustrating an algorithm for generating a print file for an electrical resistance carried out by a manufacturing method according to an embodiment of the invention;

- las figuras 12A - 12C, unas ilustraciones de la noción de llenado de una superficie; yFigures 12A-12C, illustrations of the notion of filling a surface; Y

- la figura 13, un diagrama de flujo que ilustra un algoritmo de generación de un archivo de impresión para de una galga de deformación piezorresistiva realizada por un procedimiento de fabricación según un modo de realización de la invenciónFIG. 13, a flow chart illustrating an algorithm for generating a print file for a piezoresistive strain gauge carried out by a manufacturing method according to an embodiment of the invention.

La figura 1 ilustra, de manera esquemática, un aparato para la fabricación de objetos mecatrónicos tridimensionales de conformidad con un modo de realización de la invención. Estos objetos, fabricados por depósito de filamento fundido y, en particular, de termoplásticos funcionales, incluyen una estructura mecánica, eventualmente articulada y unos componentes electrónicos tales como unos componentes pasivos (resistencia, condensador, antena, etc.), unos sensores y unos actuadores. El aparato de la figura 1 permite imprimir unos objetos 3D complejos dotados de capacidades de interacciones con su entorno o el usuario, con un ciclo de diseño y de fabricación cortos, unos costes reducidos, una gran maleabilidad en la forma de los objetos y su uso.Figure 1 schematically illustrates an apparatus for manufacturing three-dimensional mechatronic objects in accordance with an embodiment of the invention. These objects, made by depositing molten filament and, in particular, of functional thermoplastics, include a mechanical structure, possibly articulated, and electronic components such as passive components (resistance, capacitor, antenna, etc.), sensors and actuators. . The apparatus of Figure 1 allows complex 3D objects to be printed with capabilities for interactions with their environment or the user, with a short design and manufacturing cycle, low costs, great malleability in the shape of the objects and their use .

El aparato comprende sustancialmente una impresora tridimensional I3D, del tipo por depósito de filamento fundido -o FDM - adaptada para la implementación de un procedimiento según la invención. Puede comprender, igualmente, una interfaz de diseño de componentes eléctricos/electrónicos impresos. Esta interfaz puede comprender una base de datos BDM, almacenados en un soporte legible por ordenador, tal como un disco duro, que contiene una biblioteca de componentes electrónicos y transductores realizados por impresión tridimensional usando unos termoplásticos funcionales, con sus modelos de comportamiento. Puede comprender, igualmente, un sistema informático SGF (típicamente un ordenador) configurado para recibir como entrada, por mediación de un terminal de usuario y eventualmente de una interfaz gráfica, las propiedades eléctricas y geométricas deseadas de un componente eléctrico y que explota los modelos de la base de datos para generar un archivo de impresión FI que contiene todas las instrucciones que permiten que la impresora I3D fabrique el dispositivo eléctrico diseñado de este modo. Las etapas que dan lugar a la generación del archivo FI se describirán en la continuación de este documento, con referencia a las figuras 11A - 11H y 13.The apparatus substantially comprises a three-dimensional I3D printer, of the molten filament deposit type - or FDM - adapted for the implementation of a method according to the invention. It may also comprise a printed electrical / electronic component design interface. This interface may comprise a base of BDM data, stored on a computer-readable medium, such as a hard disk, which contains a library of electronic components and transducers made by three-dimensional printing using functional thermoplastics, with their behavior models. It can also comprise a SGF computer system (typically a computer) configured to receive as input, through a user terminal and possibly a graphical interface, the desired electrical and geometric properties of an electrical component and that exploits the models of the database to generate an FI print file containing all the instructions that allow the I3D printer to manufacture the electrical device designed in this way. The steps leading to the generation of the FI file will be described in the continuation of this document, with reference to Figures 11A-11H and 13.

Como se representa en la figura 1, la impresora tridimensional I3D comprende al menos dos cabezales de extrusión TE1, TE2 dispuestos uno al lado del otro, llevados por un mismo carro de impresión CI, móvil según tres direcciones ortogonales, x, y y z - correspondiendo la dirección z a la dirección de extrusión de los dos cabezales de extrusión -gracias a un mecanismo de desplazamiento MD, cuya estructura no se representa en detalle, ya que es convencional, pilotado por un sistema informático (ordenador o tarjeta de microcontrolador) SIP. El uso de dos cabezales de extrusión distintos facilita el depósito de al menos dos materiales termoplásticos diferentes: un material aislante M1 usado para la fabricación de la estructura mecánica SM del sistema mecatrónico y un material funcional (conductor o resistivo) M2 usado para la fabricación de al menos un componente eléctrico CE. La naturaleza de estos materiales se discutirá de manera detallada más adelante. De una manera general, se tratará lo más a menudo de materiales de polímeros termoplásticos o de compuestos que presentan una matriz de polímero termoplástica. Al menos el material M2 contendrá, generalmente, unas cargas que influyen en sus propiedades eléctricas, por ejemplo, haciéndolo conductor. As shown in figure 1, the three-dimensional I3D printer comprises at least two extrusion heads TE1, TE2 arranged side by side, carried by the same printing carriage CI, movable in three orthogonal directions, x, y and z - corresponding to the z direction The direction of extrusion of the two extrusion heads -thanks to an MD displacement mechanism, whose structure is not represented in detail, since it is conventional, controlled by a SIP computer system (computer or microcontroller card). The use of two different extrusion heads facilitates the deposit of at least two different thermoplastic materials: an insulating material M1 used for the manufacture of the mechanical structure SM of the mechatronic system and a functional material (conductive or resistive) M2 used for the manufacture of at least one electrical component CE. The nature of these materials will be discussed in detail later. In general, these will most often be thermoplastic polymer materials or composites having a thermoplastic polymer matrix. At least the material M2 will generally contain charges that influence its electrical properties, for example by making it conductive.

Para la realización de sistemas complejos, que comprenden más de dos materiales, se podrán usar más de dos cabezales; un mismo cabezal se puede usar para depositar varios materiales diferentes, pero esto ralentiza el procedimiento (hay que proceder a unos cambios de material de alimentación de la boquilla) e introduce un riesgo de contaminación.For the realization of complex systems, comprising more than two materials, more than two heads may be used; the same head can be used to deposit several different materials, but this slows down the procedure (some changes of the nozzle feed material have to be carried out) and introduces a risk of contamination.

Un mecanismo de accionamiento ATV permite ajustar la posición vertical (en z) relativa de cada cabezal con respecto a los otros cabezales. Esto permite, en particular, sobreelevar los cabezales inactivos durante la realización de estructuras complejas, donde el riesgo de colisión entre los cabezales de extrusión y los elementos ya impresos se hace importante. Incluso en el caso de una impresión capa por capa simple, unos residuos presentes sobre los cabezales inactivos, se encuentran que se depositan de forma involuntaria y no controlada, lo que puede alterar las propiedades estéticas (color, textura, etc.) y, sobre todo, funcionales del objeto final. Por ejemplo, esto puede conducir a unos cortocircuitos entre unas pistas conductoras.An ATV drive mechanism allows you to adjust the vertical (z) position of each head relative to the other heads. This makes it possible, in particular, to raise the inactive heads during the realization of complex structures, where the risk of collision between the extrusion heads and the elements already printed becomes important. Even in the case of a single layer by layer printing, residues present on the inactive heads are found to be deposited in an involuntary and uncontrolled way, which can alter the aesthetic properties (color, texture, etc.) and, on all functional of the final object. For example, this can lead to shorts between conductive tracks.

De una manera convencional, cada cabezal de extrusión TE1, TE2 comprende una boquilla de extrusión que presenta unos bordes calentadores y una bobina que lleva a esta boquilla un filamento del material termoplástico M1, M2 a depositar. Típicamente, cada boquilla está montada sobre un bloque de caldeo, que transmite el calor a los bordes de extrusión por conducción térmica. El extremo del filamento en contacto con los bordes calentadores de la boquilla se funde y el material fundido se expulsa de la boquilla bajo el efecto de la presión ejercida por la parte todavía no fundida del filamento, que actúa como un pistón.In a conventional way, each extrusion head TE1, TE2 comprises an extrusion nozzle having heating edges and a coil that carries a filament of the thermoplastic material M1, M2 to be deposited to this nozzle. Typically, each die is mounted on a heater block, which transmits heat to the extrusion edges by thermal conduction. The end of the filament in contact with the heating edges of the nozzle melts and the molten material is expelled from the nozzle under the effect of pressure exerted by the not yet melted part of the filament, which acts as a piston.

El control de la cantidad de materia por la impresora, se puede realizar por un control del peso simple, conociendo la densidad del filamento, el peso de la bobina de soporte (estándar, pero puede deducirse de sus dimensiones y de la densidad del material constitutivo) y el diámetro del filamento. El peso se puede medir por un sensor de presión simple o un sensor de fuerza más complejo, que podría provenir, él mismo, de la impresión 3D.The control of the quantity of material by the printer can be carried out by a simple weight control, knowing the density of the filament, the weight of the support coil (standard, but it can be deduced from its dimensions and the density of the constituent material ) and the diameter of the filament. Weight can be measured by a simple pressure sensor or a more complex force sensor, which could come from 3D printing itself.

En aras de la precisión, la medición en tiempo real del peso por el sensor, puede complementarse por un enfoque más tradicional que consiste en usar un sensor de contacto para medir el número de rotaciones efectuadas por la bobina. En cada giro, un contador se incrementa en 1. La longitud consumida para un giro completo es igual al perímetro de la bobina; multiplicando esta longitud por la sección del filamento y por su densidad, se obtiene la cantidad de materia depositada.For the sake of accuracy, the real-time measurement of the weight by the sensor can be complemented by a more traditional approach which consists of using a contact sensor to measure the number of rotations made by the coil. At each turn, a counter is incremented by 1. The length consumed for one complete turn is equal to the perimeter of the coil; multiplying this length by the section of the filament and by its density, the amount of matter deposited is obtained.

La fiabilidad de la impresión de las estructuras multimateriales y funcionales depende, en concreto, de la precisión del posicionamiento de los diferentes cabezales de extrusión. La fiabilidad se funda, en primer lugar, en un proceso de calibración automatizado para el espaciamiento entre los cabezales de extrusión y la plataforma de impresión PLI (según la dirección z) y para la posición de los cabezales en el plano (x,y) de la plataforma.The reliability of the printing of multimaterial and functional structures depends, in particular, on the precision of the positioning of the different extrusion heads. Reliability is based, first of all, on an automated calibration process for the spacing between the extrusion heads and the PLI build platform (according to the z direction) and for the position of the heads in the (x, y) plane from the platform.

La calibración del espaciamiento entre los cabezales de extrusión y la plataforma en altura (z) y de la planicidad de la plataforma, se hace, generalmente, gracias a un sensor de fin de recorrido y una regulación de las esquinas de la plataforma. Pero cuando se usan unas plataformas de gran superficie (por ejemplo, del orden de 20 cm x 20 cm o más), se hace difícil asegurar su planicidad y, por lo tanto, el uso de un sensor de fin de recorrido no es satisfactorio. Esta es la razón por la que un aparato según la invención comprende un sensor capacitivo CC solidario con el carro de impresión. El uso del sensor capacitivo permite calibrar la plataforma en varios puntos sin tocarla y evitar las imprecisiones mecánicas inherentes a los sensores mecánicos de fin de recorrido comúnmente usados en los servomotores. El sensor capacitivo actúa como un interruptor sin contacto. A diferencia de un sensor inductivo, detecta unos materiales no ferrosos, como el vidrio, la madera, la piel, etc. Este sensor va, de hecho, a reemplazar simplemente el contacto de fin de recorrido estando instalado directamente sobre el carro de impresión.The calibration of the spacing between the extrusion heads and the platform in height (z) and of the flatness of the platform, is generally done thanks to an end-of-travel sensor and an adjustment of the corners of the platform. But when large surface platforms are used (for example, on the order of 20 cm x 20 cm or more), it becomes difficult to ensure their flatness and therefore the use of an end-of-travel sensor is not satisfactory. This is the reason why an apparatus according to the invention comprises a capacitive DC sensor integral with the printing carriage. The use of the capacitive sensor allows to calibrate the platform at various points without touching it and avoid the mechanical inaccuracies inherent in the mechanical end-of-travel sensors commonly used in servo motors. The capacitive sensor acts as a non-contact switch. Unlike an inductive sensor, it detects non-ferrous materials, such as glass, wood, skin, etc. This sensor will, in fact, simply replace the end of travel contact being installed directly on the printing carriage.

La calibración de la posición de los cabezales de extrusión en el plano xy de la plataforma es importante, con el fin de alinear bien las partes de estructura fabricadas con los diferentes cabezales.Calibration of the position of the extrusion heads in the xy plane of the platform is important, in order to properly align the structural parts manufactured with the different heads.

Para una primera capa (que realiza, por ejemplo, una superficie de la estructura mecánica), se realiza una calibración inicial gracias al sensor capacitivo CC con electrodo de masa integrado y de electrodos metálicos de masa (referencias EET1, EET2 en la figura 1) colocados en las esquinas de la plataforma. En efecto, a distancia constante entre el sensor y la plataforma, la capacidad medida será mayor con una pieza metálica entre los dos electrodos del sensor en lugar de con el revestimiento o material aislante de la plataforma.For a first layer (which makes, for example, a surface of the mechanical structure), an initial calibration is carried out thanks to the capacitive DC sensor with integrated earth electrode and metal earth electrodes (references EET1, EET2 in figure 1) placed in the corners of the platform. Indeed, at a constant distance between the sensor and the platform, the measured capacity will be greater with a metal piece between the two sensor electrodes rather than with the coating or insulating material of the platform.

Para las siguientes capas, en particular, cuando se usan varios cabezales de impresión y, por lo tanto, se imprimen varios materiales termoplásticos, la alineación con la capa anterior y con la parte impresa con otro material debe verificarse con la ayuda de un servomando visual que implementa una cámara CE conectada a un sistema de procesamiento de imágenes STI (que, en el modo de realización de la figura 1, coincide con el sistema informático de pilotaje SIP). El servomando visual se realiza de la siguiente manera:For the following layers, in particular, when using several print heads and therefore printing several thermoplastic materials, the alignment with the previous layer and with the part printed with another material must be verified with the help of a visual servo control. implementing a CE camera connected to an STI image processing system (which, in the embodiment of figure 1, coincides with the SIP piloting computer system). The visual servo control is carried out as follows:

- una imagen de la superficie de impresión, sobre la que se ha depositado al menos una capa de materia, se adquiere por la cámara CE; eventualmente, se pueden adquirir y promediar varias imágenes para mejorar el desvío de señal a ruido;- an image of the printing surface, on which at least one layer of material has been deposited, is acquired by the camera CE; eventually, multiple images can be acquired and averaged to improve signal-to-noise drift;

- se elige un punto de referencia sobre la imagen, de manera automática o manual (intervención de un usuario); - la posición de este punto de referencia sobre la imagen tomada por la cámara se compara con su posición sobre el modelo de la última capa depositada, ya en memoria en la impresora;- a reference point is chosen on the image, automatically or manually (user intervention); - the position of this reference point on the image taken by the camera is compared with its position on the model of the last layer deposited, already in memory in the printer;

- la posición del carro de impresión según los ejes x e y se calcula y se almacena en memoria;- the position of the printing carriage along the x and y axes is calculated and stored in memory;

- la impresión de la capa superior tiene en cuenta estos desfases eventuales.- the printing of the top layer takes into account these possible offsets.

Preferentemente, como en el caso de la figura 1, la cámara de calibración CE es solidaria con el carro, con una posición relativa con respecto a los cabezales de extrusión que se conoce. Como variante, la cámara puede estar fijada y usar un sistema de coordenadas visual fijado en el carro de impresión para determinar la posición relativa de este último con respecto al punto de referencia sobre la imagen.Preferably, as in the case of figure 1, the calibration chamber CE is integral with the carriage, with a known position relative to the extrusion heads. As a variant, the camera can be fixed and use a visual coordinate system fixed on the printing carriage to determine the relative position of the latter with respect to the reference point on the image.

Un procedimiento según la invención implementa necesariamente al menos dos materiales diferentes, depositados en capas superpuestas. Ahora bien, la adhesión entre unas capas heterogéneas no siempre es satisfactoria. Por esta razón, según la invención, se efectúa un recocido local in situ al mismo tiempo que, o después, el depósito de una capa. El papel de este recocido local es proporcionar la energía térmica para reforzar la adhesión entre dos materiales constitutivos del objeto; accesoriamente, puede permitir, igualmente, mejorar las propiedades intrínsecas de los materiales termoplásticos funcionales usados.A method according to the invention necessarily implements at least two different materials, deposited in superimposed layers. However, the adhesion between heterogeneous layers is not always satisfactory. For this reason, according to the invention, a local annealing is carried out in situ at the same time as, or after, the depositing of a layer. The role of this local annealing is to provide the thermal energy to reinforce the adhesion between two constituent materials of the object; incidentally, it can also make it possible to improve the intrinsic properties of the functional thermoplastic materials used.

La tecnología actual de FDM se funda en la extrusión simple de capas de polímeros adyacentes o unas por encima de las otras y usa el calor latente de extrusión, con o sin la ayuda de una plataforma calentadora, para fundir y soldar las capas contiguas. Este procedimiento induce una soldadura incompleta o no uniforme de las capas y, en consecuencia, reduce las propiedades mecánicas debido a una delaminación entre las capas, en particular, en el caso de una carga aplicada perpendicularmente a la superficie de la capa o de la dirección de depósito del filamento. Esto es tanto más verdadero para las interfaces entre dos materiales diferentes, donde la humectación entre los dos materiales puede ser parcial. Durante el depósito del filamento de un segundo sobre una capa de un primer material, el filamento del segundo material está en el estado fundido y la humectación de la superficie de la capa del primer material depende de parámetros fisicoquímicos de los dos materiales, tales como las tensiones superficiales de las dos especies, la rugosidad de superficie del primer material y de la viscosidad del segundo material. Durante la fabricación, luego, el enfriamiento de la pieza, la delaminación de las capas puede tener lugar, entonces, por el hecho de las superficies de contacto reducidas, de las fuerzas de adhesión que son demasiado escasas y de las diferencias entre los coeficientes de dilatación térmica de los dos materiales.Current FDM technology relies on the simple extrusion of polymer layers adjacent to or on top of one another and uses latent heat of extrusion, with or without the aid of a heating pad, to melt and weld adjoining layers. This procedure induces an incomplete or non-uniform welding of the layers and, consequently, reduces the mechanical properties due to a delamination between the layers, in particular, in the case of a load applied perpendicular to the surface of the layer or of the direction filament deposit. This is all the more true for the interfaces between two different materials, where the wetting between the two materials can be partial. During the depositing of the filament of a second on a layer of a first material, the filament of the second material is in the molten state and the wetting of the surface of the layer of the first material depends on the physicochemical parameters of the two materials, such as the surface tensions of the two species, the surface roughness of the first material and the viscosity of the second material. During the manufacture, after the cooling of the part, the delamination of the layers can take place, then, due to the fact of the reduced contact surfaces, the adhesion forces that are too low and the differences between the coefficients of thermal expansion of the two materials.

El recocido realizado durante la implementación de la invención se funda en el caldeo local de los materiales depositados por medio de nanocargas (CM1, CM2 en las figuras 2B y 2C), incorporadas en las matrices de los materiales (MM1, MM2 en estas mismas figuras) y capaces de absorber un haz electromagnético que irradia en una o varias longitudes de onda dadas. En el modo de realización de la figura 1, una fuente de radiación electromagnética SRR, por ejemplo, un láser infrarrojo, está fijada al carro de impresión; la referencia FL designa el haz electromagnético generado por la fuente (en el presente documento, un haz láser, pero podría tratarse también de otro tipo de radiación, por ejemplo, unas microondas, véase, por ejemplo, WO2015130401 o unas radiofrecuencias).The annealing carried out during the implementation of the invention is based on the local heating of the materials deposited by means of nano-charges (CM1, CM2 in Figures 2B and 2C), incorporated in the material matrices (MM1, MM2 in these same figures ) and capable of absorbing an electromagnetic beam that radiates at one or more given wavelengths. In the embodiment of figure 1, a source of electromagnetic radiation SRR, for example an infrared laser, is attached to the printing carriage; the reference FL designates the electromagnetic beam generated by the source (in this document, a laser beam, but it could also be another type of radiation, for example, microwaves, see, for example, WO2015130401 or radio frequencies).

El recocido se puede efectuar durante la impresión de la capa en cuestión, según diferentes configuraciones:Annealing can be carried out during the printing of the layer in question, according to different configurations:

- pasaje del haz detrás del cabezal de extrusión activo y una acción sobre la última capa depositada (configuración ilustrada en la figura 2A; donde la referencia AT representa simbólicamente un calentamiento localizado);- passage of the beam behind the active extrusion head and an action on the last layer deposited (configuration illustrated in figure 2A; where the reference AT symbolically represents a localized heating);

- pasaje del haz de forma independiente (cabezal de extrusión inactivo), con una acción sobre: la o las últimas capas depositadas en el caso de un material homogéneo; la o las últimas capas del primer material, situado por debajo del segundo, por transmisión a través de este último, que es transparente a la longitud de onda usada. - passage of the beam independently (extrusion head inactive), with an action on: the last layer or layers deposited in the case of a homogeneous material; the last layer or layers of the first material, located below the second, by transmission through the latter, which is transparent at the wavelength used.

El sistema de recocido se ha representado de manera muy esquemática en las figuras 1 y 2A; en la práctica comprenderá una fuente emisora de radiaciones, un sistema de enfoque (eventualmente integrado en la fuente) y un sistema de guía del haz hasta el punto de impacto, típicamente una fibra óptica. En el modo de realización de la figura 2A, la fuente de radiación de recocido SRR es solidaria con el carro de impresión, pero en otros modos de realización puede ser independiente.The annealing system has been represented very schematically in Figures 1 and 2A; in practice, it will comprise a radiation-emitting source, a focusing system (possibly integrated in the source) and a beam guiding system to the point of impact, typically an optical fiber. In the embodiment of FIG. 2A, the annealing radiation source SRR is integral with the printing carriage, but in other embodiments it may be independent.

Las nanocargas que absorben las radiaciones pueden seleccionarse en el grupo compuesto por los nanotubos de carbono, negro de carbono, buckybolas, grafeno, nanopartículas supermagnéticas, nanopartículas magnéticas, nanohilos metálicos, nanohilos semiconductores, puntos cuánticos, polianilina (PANI), poli3,4-etilendioxitiofeno poliestirenosulfonato y sus combinaciones. Su elección se efectuará no solamente basándose en su funcionalidad transferida, de este modo, al compuesto (por ejemplo, una conductividad eléctrica), sino, igualmente, basándose en la longitud de onda de la radiación correspondiente a la absorbancia óptica máxima de la carga y, por lo tanto, un caldeo óptimo para una potencia mínima. Por ejemplo, unas numerosas cargas poseen una absorbancia elevada a las microondas, por ejemplo, los metales, los óxidos, el carbono (en concreto, los nanotubos de carbono "CNT") y los polímeros conductores (por ejemplo, el polipirrol). El uso de radiaciones de radiofrecuencias (del orden de la decena de MHz) resulta, por su parte, adaptado para las cargas cerámicas, tales como SiC, ZnO o TiO2. El uso de un láser infrarrojo es particularmente eficaz para las matrices no cargadas o cargadas de fibras (por ejemplo, unas fibras de carbonos). Las cargas que absorben las radiaciones ya pueden estar presentes en el filamento fundido o depositarse por pulverización de una suspensión.The radiation-absorbing nano-fillers can be selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon black, buckyballs, graphene, supermagnetic nanoparticles, magnetic nanoparticles, metallic nanowires, semiconductor nanowires, quantum dots, polyaniline (PANI), poly3,4- ethylenedioxythiophene polystyrenesulfonate and its combinations. Their choice will be made not only on the basis of its functionality thus transferred to the compound (for example, an electrical conductivity), but also on the basis of the wavelength of the radiation corresponding to the maximum optical absorbance of the charge and , therefore, an optimal heating for a minimum power. For example, a number of fillers have high microwave absorbance, for example metals, oxides, carbon (specifically, "CNT" carbon nanotubes), and conductive polymers (eg, polypyrrole). The use of radio frequency radiation (of the order of ten MHz) is, for its part, adapted for ceramic charges, such as SiC, ZnO or TiO2. The use of an infrared laser is particularly effective for uncharged or charged matrices of fibers (eg, carbon fibers). Radiation absorbing fillers may already be present in the molten filament or may be deposited by spraying from a suspension.

El recocido permite la interdifusión de las cadenas de polímeros de las matrices entre las capas adyacentes (figura 2C), limitando al mismo tiempo el caldeo del resto de la pieza y reduciendo, de este modo, significativamente la alteración de sus dimensiones, en concreto, por fluencia y cambio de ciclo térmico.Annealing allows the interdiffusion of the polymer chains of the matrices between the adjacent layers (figure 2C), limiting at the same time the heating of the rest of the part and thus significantly reducing the alteration of its dimensions, in particular, by creep and change of thermal cycle.

La distribución y el reparto de las cargas de funcionalización CM2 en los filamentos depositados pueden modificarse durante el proceso de extrusión o no ser óptimas inicialmente. El recocido local in situ también permite homogeneizar el reparto de las cargas en el volumen de la matriz, reformar un máximo de redes de percolación (conductor, semiconductor o dieléctrico en función de la naturaleza de las cargas) y, por lo tanto, mejorar las propiedades funcionales del compuesto en la estructura final. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 2B.The distribution and distribution of the CM2 functionalization charges in the deposited filaments may change during the extrusion process or may not be optimal initially. Local annealing in situ also makes it possible to homogenize the distribution of charges in the matrix volume, to reform a maximum of percolation networks (conductor, semiconductor or dielectric depending on the nature of the charges) and, therefore, to improve the functional properties of the compound in the final structure. This is schematically illustrated in Figure 2B.

El depósito de un promotor de adhesión en la interfaz entre dos partes constituidas por termoplásticos diferentes y, en concreto, con unas matrices diferentes en el caso de los compuestos, puede usarse como reemplazo o complemento del recocido por haz de irradiación y mejorar la adhesión entre estas dos partes. Este depósito se realiza gracias a una boquilla de pulverización de gotitas, por ejemplo, una válvula con llegadas de aire de atomización, de aire para el control y de promotor de adhesión líquido. Un dispositivo de este tipo se representa muy esquemáticamente en la figura 3, donde se identifica por la referencia BP; la referencia APA designa el chorro de agente promotor de adhesión. The deposit of an adhesion promoter at the interface between two parts made up of different thermoplastics and, specifically, with different matrices in the case of composites, can be used as a replacement or complement to irradiation beam annealing and improve adhesion between these two parts. This deposition is made thanks to a droplet spray nozzle, for example, a valve with air for atomization, air for control and liquid adhesion promoter. A device of this type is represented very schematically in figure 3, where it is identified by the reference BP; the reference APA designates the jet of adhesion promoting agent.

Se conoce que el perfil de depósito por pulverización del promotor de adhesión sobre la superficie es gaussiano y está centrado sobre el punto en frente del pulverizador. Con el fin de obtener un perfil de concentración lo más uniforme posible, es conveniente, por lo tanto, programar unos caminos de pasaje para la boquilla de pulverización. El promotor de adhesión puede ser un líquido homogéneo o una suspensión de partículas nano o micrométricas. En este último caso, habrá que asegurarse bien de tener una suspensión homogénea de manera previa durante su preparación, en concreto, gracias a unas etapas de sonicación, luego, de centrifugación. En todos los casos, la reacción del promotor de adhesión con las interfaces y/o la vaporización del disolvente deben permiten dejar, en última instancia, una capa de adhesión sólida. Es más, se prevé que el dispositivo de pulverización pueda permitir depositar unas partículas absorbentes, que una vez tomadas a modo de sándwich entre dos capas, de un mismo termoplástico o de dos termoplásticos diferentes podrán irradiarse con el haz descrito anteriormente y permitir mejorar la adhesión de esta forma.The spray deposition profile of the adhesion promoter on the surface is known to be Gaussian and centered on the point in front of the spray. In order to obtain a concentration profile as uniform as possible, it is therefore convenient to program passage paths for the spray nozzle. The adhesion promoter can be a homogeneous liquid or a suspension of nano or micrometer particles. In the latter case, it will be necessary to make sure to have a homogeneous suspension beforehand during its preparation, in particular, thanks to some stages of sonication, then centrifugation. In all cases, the reaction of the adhesion promoter with the interfaces and / or the vaporization of the solvent should ultimately leave a solid adhesion layer. Moreover, it is envisaged that the spraying device can allow the deposit of absorbent particles, which once taken as a sandwich between two layers, of the same thermoplastic or of two different thermoplastics, can be irradiated with the beam described above and allow to improve adhesion. thus.

Como se ha mencionado esto aquí arriba, el material de estructura M1 de un objeto mecatrónico según la invención es un material aislante eléctrico. El material de estructura podrá ser un polímero, tal como un termoplástico, un elastómero termoplástico, una cerámica o un compuesto de matriz termoplástica o cerámica. La matriz termoplástica podrá formar parte del grupo, pero no solamente, que consta del acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), ácido poliláctico (PLA), poliamida (Nailon), poliimida (PI), polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), politetrafluoroetileno (PTFE), cloruro de polivinilo (PVC), poliuretano (PU), policarbonato (PC), polifenilsilfona (PPSU), poliéter éter cetona (PEEK) y sus mezclas. La cerámica podrá seleccionarse de entre el grupo compuesto por los óxidos, carburos, boruros, nitruros y siliciuros. Por ejemplo, las cerámicas compatibles constan del nitruro de silicio, el PZT, el óxido de aluminio o también la hidroxiapatita. Los compuestos usados pueden incorporar cualquier tipo de cargas, que permiten modificar y ajustar sus propiedades mecánicas y térmicas, tales como unas cargas cerámicas o metálicas, unas fibras de vidrio o de carbono o unas partículas de carbono.As mentioned above, the structure material M1 of a mechatronic object according to the invention is an electrical insulating material. The framework material may be a polymer, such as a thermoplastic, a thermoplastic elastomer, a ceramic or a ceramic or thermoplastic matrix composite. The thermoplastic matrix may be part of the group, but not only, that consists of acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactic acid (PLA), polyamide (Nylon), polyimide (PI), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride (PVC), polyurethane (PU), polycarbonate (PC), polyphenylsilphone (PPSU), polyether ether ketone (PEEK) and their mixtures. The ceramic may be selected from the group consisting of oxides, carbides, borides, nitrides and silicides. For example, compatible ceramics consist of silicon nitride, PZT, aluminum oxide or also hydroxyapatite. The compounds used can incorporate any type of fillers, which allow their mechanical and thermal properties to be modified and adjusted, such as ceramic or metallic fillers, glass or carbon fibers or carbon particles.

El o los componentes eléctricos están realizados de al menos un material termoplástico funcional M2, que es, generalmente, un compuesto que tiene unas propiedades tales como una buena conductividad eléctrica y/o una piezorresistividad o piezoelectricidad y/o una buena conductividad térmica y/o un coeficiente dieléctrico elevado, etc. Por ejemplo, para un termoplástico eléctricamente conductor, las cargas pueden formar parte del grupo de las partículas de carbono, que constan del negro de carbono, el grafeno, los nanotubos de carbonos. Para obtener una buena conductividad térmica, se pueden incorporar unas cargas o nanotubos metálicos. Este material deberá tener las propiedades adecuadas para una conformación mediante FDM, a saber, una temperatura de fusión cercana a la del o de los materiales de estructura e inferior a 300 °C y una viscosidad lo suficientemente escasa en la zona de fusión. Para esto, una solución es, en la medida de lo posible, usar una matriz de polímero idéntica o similar a la del material de estructura M1. Usado solo o asociado con otro termoplástico, funcional o no, el termoplástico funcional M2 entra en la fabricación de un componente eléctrico o electrónico, tal como un componente pasivo (resistencia, condensador, antena, etc.), un sensor o un actuador.The electrical component (s) are made of at least one functional thermoplastic material M2, which is generally a compound that has properties such as good electrical conductivity and / or piezoresistivity or piezoelectricity and / or good thermal conductivity and / or a high dielectric coefficient, etc. For example, for an electrically conductive thermoplastic, the charges can be part of the group of carbon particles, which consist of carbon black, graphene, carbon nanotubes. To obtain good thermal conductivity, metal fillers or nanotubes can be incorporated. This material must have the properties suitable for shaping by FDM, namely a melting temperature close to that of the structural material (s) and less than 300 ° C and a sufficiently low viscosity in the melting zone. For this, one solution is, as far as possible, to use a polymer matrix identical or similar to that of the M1 structure material. Used alone or associated with another thermoplastic, functional or not, functional thermoplastic M2 enters into the manufacture of an electrical or electronic component, such as a passive component (resistor, capacitor, antenna, etc.), a sensor or an actuator.

Para sacar plenamente provecho de las características ventajosas de un aparato y de un procedimiento según la invención, es posible desarrollar e integrar unos nuevos materiales termoplásticos que tengan unas propiedades funcionales que permitan realizar unos componentes electrónicos, sensores y actuadores.In order to take full advantage of the advantageous characteristics of an apparatus and of a method according to the invention, it is possible to develop and integrate new thermoplastic materials having functional properties that make it possible to produce electronic components, sensors and actuators.

La integración de estos materiales requiere unas caracterizaciones eléctricas y mecánicas exhaustivas, con el fin de identificar los parámetros a ajustar para garantizar una funcionalidad óptima en el objeto mecatrónico 3D. Para esto, los inventores se han interesado, en concreto, por los siguientes termoplásticos compuestos:The integration of these materials requires exhaustive electrical and mechanical characterizations, in order to identify the parameters to be adjusted to guarantee optimal functionality in the 3D mechatronic object. To this end, the inventors have been interested, in particular, in the following composite thermoplastics:

- material 1: matriz ABS/ cargas CB (negro de carbono)- material 1: ABS matrix / CB loads (carbon black)

- material 2: matriz PLA / cargas CB- material 2: PLA matrix / CB loads

- material 3: matriz PI-ETPU (poliimida / poliuretano termoplástico de ingeniería)/ cargas CB- material 3: PI-ETPU matrix (polyimide / engineering thermoplastic polyurethane) / CB fillers

- material 4: matriz PLA / cargas CNT (nanotubos de carbono)- material 4: PLA matrix / CNT charges (carbon nanotubes)

- material 5: matriz PLA / cargas de grafeno- material 5: PLA matrix / graphene fillers

Los materiales que han sido objeto de estos estudios de caracterización son unos termoplásticos cargados con unas partículas de carbono que tienen una conductividad eléctrica intrínseca elevada. Estos compuestos tienen una conductividad eléctrica que depende no solamente de la naturaleza de las cargas, sino, igualmente, de su concentración y distribución en la matriz termoplástica. La concentración de las cargas debe ser suficiente para permitir la formación de camino de conducción o percolación, pero lo suficientemente baja como para que la viscosidad del filamento permita la extrusión continua del filamento fundido en un rango de temperatura inferior a 300 °C. La distribución de las cargas en el filamento compuesto depende del procedimiento de conformación del filamento compuesto (extrusión mono o bitornillo), del control de los parámetros de los procedimientos y de la preparación de las partículas con una funcionalización potencial de superficie. Una distribución y reparto homogéneo de las cargas permite un mayor número de caminos de percolación y, por lo tanto, una mejor conductividad eléctrica del compuesto. Pero, en última instancia, las propiedades eléctricas del compuesto también están moduladas por los parámetros de los procedimientos y geométricos usados durante la impresión del objeto 3D por FDM.The materials that have been the object of these characterization studies are thermoplastics loaded with carbon particles that have a high intrinsic electrical conductivity. These compounds have an electrical conductivity that depends not only on the nature of the charges, but also on their concentration and distribution in the thermoplastic matrix. The concentration of the fillers must be sufficient to allow the formation of a conduction path or percolation, but low enough so that the viscosity of the filament allows the continuous extrusion of the molten filament in a temperature range below 300 ° C. The distribution of charges in the composite filament depends on the process of shaping the composite filament (single or double screw extrusion), the control of the process parameters and the preparation of the particles with potential surface functionalization. A homogeneous distribution and distribution of the charges allows a greater number of percolation paths and, therefore, a better electrical conductivity of the compound. But ultimately, the electrical properties of the composite are also modulated by the procedural and geometric parameters used during FDM 3D printing of the object.

Como se ha indicado aquí arriba, la viscosidad, maleabilidad y dureza de los cinco compuestos estudiados no es la misma por el hecho de sus matrices, sus cargas y su conformación que difieren. Para esto, los parámetros de los procedimientos deben adaptarse, con el fin de permitir una extrusión continua del filamento. Para los materiales estudiados, la temperatura de extrusión depende principalmente de la matriz termoplástica usada: 210-220 °C para el PLA cargado, 230 °C para el ABS cargado y 220 °C para el PI-ETPU cargado. Sin embargo, está claro que estos valores se han optimizado por los fabricantes y, en concreto, adoptando la concentración de cargas adecuada. As indicated above, the viscosity, malleability and hardness of the five compounds studied are not the same due to the fact that their matrices, their charges and their conformation differ. For this, the parameters of the procedures must be adapted, in order to allow a continuous extrusion of the filament. For the studied materials, the extrusion temperature depends mainly on the thermoplastic matrix used: 210-220 ° C for loaded PLA, 230 ° C for loaded ABS and 220 ° C for loaded PI-ETPU. However, it is clear that these values have been optimized by the manufacturers and, in particular, by adopting the appropriate concentration of loads.

La velocidad de desplazamiento de las boquillas durante la impresión o velocidad de impresión, se rige, sin embargo, por otros parámetros que no son la viscosidad.The speed of movement of the nozzles during printing or printing speed, is governed, however, by other parameters than viscosity.

La extrusión del filamento está permitida gracias al engranaje del filamento, pellizcado entre una rueda fija y una rueda móvil y la parte superior del filamento, sólida, hace pistón sobre la parte inferior, líquida. Los filamentos maleables tienen una tendencia al pandeo bajo el efecto de la solicitación en compresión y esto pese a un diseño del cabezal de extrusión que permite limitar los movimientos laterales del filamento. La bajada de la velocidad, típicamente 20 mm/s, permite dejar el tiempo para que el filamento fundido se extruda y permanezca por debajo de la solicitación límite de fluencia para los filamentos maleables.The extrusion of the filament is allowed thanks to the gear of the filament, pinched between a fixed wheel and a moving wheel and the upper part of the filament, solid, makes a piston on the lower part, liquid. The malleable filaments have a tendency to buckle under the effect of compression stress and this despite a design of the extrusion head that allows limiting the lateral movements of the filament. Lowering the speed, typically 20 mm / s, allows time for the molten filament to extrude and remain below the yield stress for malleable filaments.

Las nanopartículas de carbono, por ejemplo, los CNT y el grafeno, son, no solamente unos buenos conductores eléctricos, sino, igualmente, unos buenos conductores térmicos. Una velocidad de impresión demasiado baja corre el riesgo de dejar que el núcleo del filamento fundido se enfríe por conducción térmica interna, a pesar del contacto sobre los bordes con las boquillas calientes. Este fenómeno necesita limitar el tiempo de tránsito del filamento en la boquilla, de modo que sea lo suficientemente largo como para permitir la licuefacción del filamento y lo suficientemente corto como para impedir la resolidificación del núcleo. En este caso, una velocidad de impresión elevada, típicamente 80 mm/s, permite tener una extrusión continua y evitar el taponamiento (clogging, en inglés) de la boquilla.Carbon nanoparticles, for example CNTs and graphene, are not only good electrical conductors, but also good thermal conductors. Too low a print speed runs the risk of allowing the core of the molten filament to cool by internal thermal conduction, despite contact on the edges with the hot nozzles. This phenomenon needs to limit the transit time of the filament at the nozzle, so that it is long enough to allow liquefaction of the filament and short enough to prevent resolidification of the core. In this case, a high printing speed, typically 80 mm / s, allows to have a continuous extrusion and avoid the clogging (clogging, in English) of the nozzle.

Se debe tener en cuenta un último parámetro en función de la naturaleza de la matriz termoplástica y de su comportamiento en el estado fundido, es la distancia entre la boquilla y la plataforma para la primera capa. En efecto, una viscosidad y una elasticidad elevadas necesitan un espaciamiento más importante, como para el ABS con respecto al PLA en el primer caso y para el PI-ETPU con respecto al PLA en el segundo caso.A last parameter must be taken into account depending on the nature of the thermoplastic matrix and its behavior in the molten state, it is the distance between the nozzle and the platform for the first layer. Indeed, a high viscosity and elasticity require a greater spacing, as for ABS with respect to PLA in the first case and for PI-ETPU with respect to PLA in the second case.

Para realizar unos modelos matemáticos de los componentes eléctricos que pueden fabricarse de conformidad con la invención, se han realizado y caracterizado unos patrones en forma de barra rectangular a partir de los cinco materiales de más arriba. Estos patrones difieren por su longitud L (fig. 4A), anchura W (fig. 4B), espesor globa1H (fig. 4C), espesor e de cada capa elemental o "estrato" (fig. 4D) y dirección de impresión (fig. 4E). Una caracterización eléctrica exhaustiva ha permitido clasificar los materiales en función de su conductividad y establecer unas leyes que conectan la resistencia de los patrones con los parámetros geométricos citados más arriba.In order to carry out mathematical models of the electrical components that can be manufactured in accordance with the invention, rectangular bar-shaped patterns have been made and characterized from the five materials above. These patterns differ by their length L (fig. 4A), width W (fig. 4B), overall thickness H (fig. 4C), thickness e of each elemental layer or "stratum" (fig. 4D) and printing direction (fig. . 4E). An electrical characterization This exhaustive analysis has made it possible to classify materials based on their conductivity and establish laws that connect the resistance of the patterns with the geometric parameters mentioned above.

La figura 5A muestra la evolución de la resistencia de una barra rectangular (W=20 mm, H=400 |jm, dirección de impresión con respecto a la longitud de la barra=0 °, T=200 jm ) en función de su longitud L para los 5 materiales estudiados. Los materiales más conductores son fácilmente identificables: la conductividad decrece cuando el índice del material aumenta de 1 a 5. La figura 5B muestra la evolución de la resistencia relativa promedio de las barras (L=50 mm, H=0,4 mm, dirección de impresión con respecto a la longitud de la barra=0 °, T=20o jm ) en función de su anchura para los 5 materiales estudiados. La resistencia relativa promedio está dada por (R-R0)/R0, donde R es la resistencia de la barra considerada y R0 la de una barra de referencia que presenta una longitud igual a 10 mm. La evolución de ley inversa es válida para todos, que demuestra su comportamiento óhmico. La figura 5C muestra la evolución de la resistencia relativa promedio de las barras en función de su anchura (L=50 mm, H=0,4 mm, dirección de impresión con respecto a la longitud de la barra=0 °, T=200 jm ) y de su altura (L=50 mm, W=20 mm, dirección de impresión con respecto a la longitud de la barra=0 °, T=200 jm ) para el Material 4. La resistencia es inversamente proporcional a la anchura y a la altura de la barra, con la potencia unidad.Figure 5A shows the evolution of the resistance of a rectangular bar (W = 20 mm, H = 400 | jm, printing direction with respect to the length of the bar = 0 °, T = 200 jm) as a function of its length L for the 5 materials studied. The most conductive materials are easily identifiable: conductivity decreases when the index of the material increases from 1 to 5. Figure 5B shows the evolution of the average relative resistance of the bars (L = 50 mm, H = 0.4 mm, direction impression with respect to the length of the bar = 0 °, T = 20o jm) as a function of its width for the 5 materials studied. The average relative resistance is given by (R-R0) / R0, where R is the resistance of the considered bar and R0 that of a reference bar that has a length equal to 10 mm. Reverse law evolution is valid for everyone, which demonstrates their ohmic behavior. Figure 5C shows the evolution of the average relative strength of the bars as a function of their width (L = 50 mm, H = 0.4 mm, printing direction with respect to the length of the bar = 0 °, T = 200 jm) and its height (L = 50 mm, W = 20 mm, printing direction with respect to the length of the bar = 0 °, T = 200 jm) for Material 4. The resistance is inversely proportional to the width and at the height of the bar, with the unit power.

La variación relativa de resistencia R de los patrones en función de la longitud L, de la anchura W y de la altura H, es casi idéntica para los cinco compuestos. Cualitativamente, en las Figuras 5A - C, se destaca, igualmente, que los termoplásticos cargados una vez impresos se comportan como unos conductores óhmicos y que la resistencia obedece a la expresión general:The relative variation of resistance R of the standards as a function of length L, width W and height H, is almost identical for the five compounds. Qualitatively, in Figures 5A-C, it is also noted that the charged thermoplastics once printed behave like ohmic conductors and that the resistance obeys the general expression:

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donde p es la resistividad de la barra medida en su longitud. Este comportamiento óhmico está, por otro lado, soportado por unas numerosas características de corriente-tensión realizado sobre las diferentes muestras fabricadas.where p is the resistivity of the bar measured over its length. This ohmic behavior is, on the other hand, supported by a number of current-voltage characteristics performed on the different manufactured samples.

La resistencia varía, igualmente, en función de la dirección de impresión y de acuerdo con la ley de más arriba, es posible conectar de forma empírica esta variación con la resistividad intrínseca del patrón impreso, es decir, con la microestructura de este. Los resultados obtenidos se reproducen en la tabla 1 más abajo. La resistividad de la barra aumenta cuando la dirección de impresión pasa de 0 ° a 45 °, luego, 90 °. Este ángulo se evalúa con respecto a la longitud de la barra.The resistance also varies as a function of the printing direction and according to the law above, it is possible to empirically connect this variation with the intrinsic resistivity of the printed pattern, that is, with its microstructure. The results obtained are reproduced in table 1 below. The resistivity of the bar increases when the printing direction goes from 0 ° to 45 °, then 90 °. This angle is evaluated with respect to the length of the bar.

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Tabla 1 - Resistividad de los termoplásticos conductores y direcciones de impresión.Table 1 - Resistivity of conductive thermoplastics and printing directions.

En cambio, la influencia del espesor "e" de los estratos impresos sobre la resistencia es desdeñable para la mayor parte de los materiales, salvo para el Material 3. La disminución de la resistencia en un factor de 2,5 cuando e varía entre 100 y 300 jm para el Material 3 podría explicarse por una continuidad vertical entre las capas (menos interfaces de capa-capa homogéneas) que potencialmente permite un mayor número de caminos de percolaciones. En este caso, el uso de un recocido local, como se describe en la presente invención, permitiría formar unos nuevos caminos de percolación en las interfaces intercapas y mejoraría significativamente la conductividad eléctrica del patrón impreso. On the other hand, the influence of the thickness "e" of the printed layers on the resistance is negligible for most of the materials, except for Material 3. The decrease in resistance by a factor of 2.5 when e varies between 100 and 300 jm for Material 3 could be explained by a vertical continuity between the layers (less homogeneous layer-layer interfaces) that potentially allows a greater number of percolation paths. In this case, the use of a local anneal, as described in the present invention, would allow to form new percolation paths at the interlayer interfaces and would significantly improve the electrical conductivity of the printed pattern.

Con el fin de caracterizar la piezorresistividad de ello, los materiales 1 a 5 se han usado para fabricar unas piezas de prueba de tracción uniaxial de mancuerna, impresas por FDM.In order to characterize the piezoresistivity thereof, Materials 1 to 5 have been used to manufacture FDM-printed uniaxial dumbbell tensile test pieces.

Estas piezas de prueba se han diseñado explotando la diferencia de resistividad en función de la dirección de impresión y con unas dimensiones conformes a la norma ASTM D638, es decir, para la parte útil: L=50 mm, W=10 mm, H 300 jm . Para cada material, se han impreso unos ejemplares enteramente en unas direcciones de impresión, medidas con respecto a la longitud de la pieza de prueba, de 0 °, 45 ° o 90 °. Unos ejemplos ET1 (0 °), ET2 (90 °) de las piezas de prueba fabricadas se ilustran en las figuras 6A y 6B. These test pieces have been designed by exploiting the difference in resistivity as a function of the printing direction and with dimensions in accordance with the ASTM D638 standard, that is, for the useful part: L = 50 mm, W = 10 mm, H 300 jm. For each material, copies have been printed entirely in printing directions, measured with respect to the length of the test piece, of 0 °, 45 ° or 90 °. A few examples ET1 (0 °), ET2 (90 °) of the manufactured test pieces are illustrated in Figures 6A and 6B.

La tracción se ha ejercido por medio de pesos suspendidos verticalmente en la parte baja de la muestra, mientras que la parte alta de la muestra estaba fijada mediante una mordaza al bastidor. Las masas suspendidas eran de 100 g, 200 g, 500 g y 1 kg. Suponiendo que las piezas de prueba no tienen defectos, la solicitación se concentraba en la parte útil y la solicitación aplicada variaba entre 3 y 33 MPa.The traction has been exerted by means of vertically suspended weights in the lower part of the sample, while the upper part of the sample was fixed by a clamp to the frame. The suspended masses were 100 g, 200 g, 500 g and 1 kg. Assuming that the test pieces have no defects, the stress was concentrated on the useful part and the applied stress varied between 3 and 33 MPa.

Los resultados de los ensayos se ilustran en las figuras 7A - 7C.The results of the tests are illustrated in Figures 7A-7C.

La figura 7A ilustra la evolución de la resistencia eléctrica R de las piezas de prueba de tracción de Material 2 en función de la masa M del peso suspendido verticalmente. La tasa de llenado es de un 100 %, la pieza de prueba es, por lo tanto, maciza.Figure 7A illustrates the evolution of the electrical resistance R of the Material 2 tensile test pieces as a function of the mass M of the vertically suspended weight. The fill rate is 100%, the test piece is therefore solid.

La figura 7B ilustra la evolución de la resistencia eléctrica de las piezas de prueba de tracción, bajo cargamento nulo o de 100 g, en el transcurso de un cambio de ciclo mecánico de cargamento/descargamiento. Las piezas de prueba consideradas en el presente documento tienen una tasa de llenado de un 80 %, lo que significa que existe un espaciamiento entre los filamentos o rayas, que forman el cuerpo de la pieza de prueba, de la que aproximadamente un 20 % está constituido por espacios vacíos.Figure 7B illustrates the evolution of the electrical resistance of the tensile test pieces, under zero loading or 100 g, during a change in the mechanical loading / unloading cycle. The test pieces considered in this document have a fill rate of 80%, which means that there is a spacing between the filaments or stripes, which form the body of the test piece, of which approximately 20% is made up of empty spaces.

La figura 7B ilustra la evolución en el tiempo t de la resistencia eléctrica de las piezas de prueba de tracción como continuación a la retirada de un cargamento de 100 g. Como continuación a un aumento brusco, la resistencia disminuye progresivamente hacia el valor de reposo.Figure 7B illustrates the evolution in time t of the electrical resistance of the tensile test pieces following the removal of a 100 g load. Following a sharp increase, the resistance progressively decreases towards the rest value.

De entre los materiales estudiados, el Material 3 ha demostrado un comportamiento piezorresistivo con efecto de umbral, cuando la pieza de prueba se imprime a 90 °, como se traslada en la Figura 7A. El umbral a partir del que aparece la variación de resistencia se puede bajar disminuyendo la tasa de llenado durante la impresión por FDM, es decir, modulando la calidad del contacto entre las rayas. Si la tasa de llenado es elevada, habrá superposición entre las rayas adyacentes. Cuanto más disminuye esta tasa, siendo el espesor del extrudido constante, más disminuye la parte donde hay superposición y la interfaz entre las rayas adyacentes ve aparecer unos agujeros o porosidades, donde el aire queda atrapado. Por lo tanto, la tasa de porosidad es un parámetro importante que permite controlar la resistencia y el umbral de piezorresistividad del patrón impreso. Después de un ciclo de depuración (ruptura de los caminos escasos que se produce durante los primeros usos, que conduce a unas variaciones rápidas de las propiedades eléctricas seguidas por una fase de estabilización), se destaca que la variación de resistencia aparece desde los 100 g de cargamento para una barra con una tasa de llenado de un 80 %, con una buena repetibilidad y un aguante de al menos 10 ciclos (véase Figura 7B).Among the materials studied, Material 3 has demonstrated piezoresistive behavior with a threshold effect, when the test piece is printed at 90 °, as translated in Figure 7A. The threshold from which the resistance variation appears can be lowered by decreasing the fill rate during FDM printing, that is, by modulating the quality of the contact between the stripes. If the fill rate is high, there will be overlap between adjacent stripes. The more this rate decreases, the thickness of the extrudate being constant, the more the part where there is overlap decreases and the interface between the adjacent stripes sees holes or porosities appear, where the air is trapped. Therefore, the porosity rate is an important parameter that allows to control the resistance and piezoresistivity threshold of the printed pattern. After a purification cycle (breaking of the scarce paths that occurs during the first uses, which leads to rapid variations in electrical properties followed by a stabilization phase), it is noted that the resistance variation appears from 100 g of loading for a bar with a fill rate of 80%, with good repeatability and endurance of at least 10 cycles (see Figure 7B).

El mismo comportamiento piezorresistivo se observa para las piezas de prueba cuyas rayas se imprimen a un ángulo de impresión de 90 ° con respecto a la longitud de la pieza de prueba con el Material 5. Sin embargo, se observa un fenómeno de relajación de la matriz de elastómero como continuación al cargamento o descargamiento. Para el descargamiento, este fenómeno induce un aumento brusco de la resistencia, luego, una disminución logarítmica hacia el valor de reposo (véase Figura 7C). Esta respuesta temporal es, de este modo, un problema no desdeñable en la fiabilidad de la medición y su explotación para realizar un sensor.The same piezoresistive behavior is observed for the test pieces whose stripes are printed at a printing angle of 90 ° with respect to the length of the test piece with Material 5. However, a matrix relaxation phenomenon is observed of elastomer following loading or unloading. For discharging, this phenomenon induces a sudden increase in resistance, then a logarithmic decrease towards the rest value (see Figure 7C). This temporal response is, thus, a not insignificant problem in the reliability of the measurement and its exploitation to make a sensor.

Los modelos de comportamiento y leyes establecidos para la piezorresistividad del Material 2 y los establecidos para la resistividad de los termoplásticos conductores permiten realizar unos sensores que aprovechan estas propiedades. The behavior models and laws established for the piezoresistivity of Material 2 and those established for the resistivity of conductive thermoplastics allow making sensors that take advantage of these properties.

La figura 8 representa un sensor de flexión bidimensional CF2D funcional, enteramente impreso por FDM con 3 materiales termoplásticos diferentes. En efecto, este componente comprende una estructura SM de termoplástico aislante (ABS), 4 electrodos de contacto ELC1, ELC2, ELC3, ELC4 de termoplástico conductor (Material 4) y 2 partes centrales JC1, JC2 de termoplástico cargado que tiene un comportamiento piezorresistivo (Material 2), impreso según unas direcciones de impresión ortogonales, que forman unas galgas extensométricas, soportadas por la estructura mecánica SM y cuyos ejes de sensibilidad (determinados por la dirección de impresión y, por lo tanto, por la alineación de los filamentos constitutivos) son mutuamente perpendiculares.Figure 8 represents a functional CF2D two-dimensional flexure sensor, entirely printed by FDM with 3 different thermoplastic materials. Indeed, this component comprises a SM structure of insulating thermoplastic (ABS), 4 contact electrodes ELC1, ELC2, ELC3, ELC4 of conductive thermoplastic (Material 4) and 2 central parts JC1, JC2 of charged thermoplastic that has piezoresistive behavior ( Material 2), printed according to orthogonal printing directions, which form strain gauges, supported by the mechanical structure SM and whose sensitivity axes (determined by the printing direction and, therefore, by the alignment of the constituent filaments) they are mutually perpendicular.

Con el fin de evitar los tiempos muertos necesarios para los cambios de bobina, el sensor se ha impreso usando tres cabezales de extrusión, uno por material. Se ha depositado una capa delgada de promotor de adhesión en las interfaces heterogéneas.In order to avoid the downtime required for coil changes, the sensor has been printed using three extrusion heads, one per material. A thin layer of adhesion promoter has been deposited on the heterogeneous interfaces.

Las partes centrales del sensor son, respectivamente, un rectángulo JC1 de Material 2 impreso a 0 ° y un rectángulo JC2 de Material 2 impreso a 90 °, con un espesor de 600 pm. De acuerdo con los resultados de caracterización, solo el rectángulo cuya dirección de impresión es perpendicular a la dirección de exigencia en tracción produce un cambio de resistencia eléctrica. El otro bloque conserva la misma resistencia. La yuxtaposición de estos dos bloques permite, por lo tanto, medir una solicitación según el eje x o el eje y, incluso una solicitación biaxial en tracción.The central parts of the sensor are, respectively, a rectangle JC1 of Material 2 printed at 0 ° and a rectangle JC2 of Material 2 printed at 90 °, with a thickness of 600 pm. According to the characterization results, only the rectangle whose printing direction is perpendicular to the tensile stress direction produces a change in electrical resistance. The other block retains the same resistance. The juxtaposition of these two blocks therefore makes it possible to measure a stress along the x-axis or the y-axis, even a biaxial stress in tension.

Cuando el sustrato de ABS experimenta una solicitación de flexión, su cara superior está exigida en tracción. Esta exigencia se transmite a los bloques de Material 2 por cizallado en la interfaz. Los resultados obtenidos con este sensor y que demuestran su funcionalidad, se presentan en la tabla 2 más abajo:When the ABS substrate experiences a bending stress, its upper face is stressed in tension. This requirement is transmitted to the Material 2 blocks by shear at the interface. The results obtained with this sensor and that demonstrate its functionality, are presented in table 2 below:

Tabla 2. Table 2.

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La libertad de forma permitida por el procedimiento y la disponibilidad de termoplásticos conductores y piezorresistivos, permite la realización de sensores de fuerza multidimensionales. La figura 9F muestra una vista lateral de un sensor de este tipo que presenta la forma de una minipalanca de mando que puede transducir el esfuerzo aplicado sobre el conector central y sus componentes x e y. Este sensor presenta una estructura mecánica aislante que comprende un sustrato anular Sa , unos pilares-soporte PS y una plataforma central PTC de material aislante; unos elementos piezorresistivos PZR1 - PZR4 que forman unos puentes suspendidos realizados con la ayuda de un soporte impreso de polímero de sacrificio, por ejemplo, soluble; unos electrodos de contacto EC1 - EC5, la palanca de mando central JC y unos pilares conductores PC1 - PC4 para el enganche del sistema de conexiones. Las figuras 9A - 9F muestran estos diferentes elementos por separado.The freedom of form allowed by the procedure and the availability of conductive and piezoresistive thermoplastics, allows the realization of multidimensional force sensors. Figure 9F shows a side view of a sensor of this type that is in the shape of a mini-control lever that can transduce the force applied to the central connector and its x and y components. This sensor has an insulating mechanical structure that comprises an annular substrate Sa, some support pillars PS and a central platform PTC made of insulating material; piezoresistive elements PZR1-PZR4 forming suspended bridges made with the aid of a printed support made of sacrificial polymer, for example soluble; some contact electrodes EC1 - EC5, the central control lever JC and some conductive pillars PC1 - PC4 for hooking the connection system. Figures 9A-9F show these different elements separately.

La figura 10 ilustra un sensor acústico de tipo piezorresistivo, realizado, igualmente, por un procedimiento de impresión según la invención. Comprende una estructura mecánica aislante SM, dos electrodos de contacto ELC1, ELC2 de termoplástico conductor, dos membranas conductoras MC1, MC2, igualmente, de termoplástico conductor, que forman los dos armazones de un condensador y unas galgas extensométricas JC1, JC2, conectadas cada una a un electrodo de contacto respectivo y a la membrana conductora MC1. Las galgas extensométricas permiten medir las deformaciones de la membrana MC1 bajo el efecto de una onda acústica.Figure 10 illustrates an acoustic sensor of the piezoresistive type, also produced by a printing method according to the invention. It comprises an insulating mechanical structure SM, two contact electrodes ELC1, ELC2 made of conductive thermoplastic, two conductive membranes MC1, MC2, likewise, made of conductive thermoplastic, which form the two frames of a capacitor and some strain gauges JC1, JC2, each connected to a respective contact electrode and to the conductive membrane MC1. Strain gauges make it possible to measure the deformations of the MC1 membrane under the effect of an acoustic wave.

Como se ha aludido a esto aquí arriba, está prevista ventajosamente una interfaz de diseño para facilitar el diseño de los componentes eléctricos impresos. Esta interfaz es un sistema informático (ordenador, red de ordenador, tarjeta de microprocesador...) programado para recibir como entrada unos parámetros de un componente eléctrico a fabricar, tales como las propiedades eléctricas deseadas, la posición de sus puntos de toma de contacto, su ubicación dentro o en la superficie de una estructura mecánica... y proporcionar a la salida, gracias a la aplicación de algoritmos apropiados, un archivo de impresión (típicamente en el formato GCode) que permite el pilotaje de la impresora tridimensional.As referred to hereinabove, a layout interface is advantageously provided to facilitate the layout of the printed electrical components. This interface is a computer system (computer, computer network, microprocessor card ...) programmed to receive as input some parameters of an electrical component to be manufactured, such as the desired electrical properties, the position of its contact points. , its location within or on the surface of a mechanical structure ... and provide the output, thanks to the application of appropriate algorithms, a print file (typically in the GCode format) that allows the piloting of the three-dimensional printer.

Los diagramas de flujo de las figuras 11A a 11H ilustran, a título de ejemplo no limitativo, los algoritmos que permiten dar lugar al archivo de impresión para un componente eléctrico simple, a saber, una resistencia depositada sobre un sustrato aislante. La figura 13 ilustra, igualmente, a título de ejemplo no limitativo, un algoritmo que permite dar lugar al archivo de impresión para una galga de deformación axial.The flow diagrams of Figures 11A to 11H illustrate, by way of non-limiting example, the algorithms that allow the print file to be produced for a simple electrical component, namely, a resistor deposited on an insulating substrate. Figure 13 also illustrates, by way of non-limiting example, an algorithm that makes it possible to generate the print file for an axial strain gauge.

Una resistencia fabricada por impresión tridimensional puede ser bidimensional (es decir, planar, depositada sobre una superficie) o tridimensional - que pasa, por lo tanto, por unos puntos no coplanares, que pueden estar impuestos. En el caso de una resistencia bidimensional, se puede adoptar una geometría lineal - para unos valores de resistencia escasos - o en zigzag o serpentina - para unos valores de resistencia más elevados. Estos tres casos diferentes necesitan unos algoritmos de diseño diferentes. De este modo, como se ilustra en la figura 11A, el usuario de una interfaz de diseño según la invención define, en primer lugar, el material termoplástico a usar (etapa EA1), cuyas propiedades se conocen y almacenan en la base de datos de modelos BDM y el valor de resistencia R_user (R_usuario) a alcanzar (etapa EA2), luego, (EA3) indica si la resistencia es tridimensional o debe respetar unos puntos de pasaje impuestos. En caso afirmativo, la interfaz de diseño aplicará un algoritmo de diseño de resistencias tridimensionales, ilustrado en las figuras 11G y 11H. De otro modo, el sistema determinará de manera autónoma (EA4), en función del valor R_user (R_usuario), si es conveniente realizar una geometría lineal (por ejemplo, si R_user (R_usuario) es inferior a un umbral predefinido R_th), en cuyo caso aplicará el algoritmo ilustrado en la figura 11B o bien una geometría en zigzag (por ejemplo, si R_user (R_usuario) es superior o igual a R_th), en cuyo caso aplicará el algoritmo ilustrado en las figuras 11C a 11F. La elección entre una geometría lineal y en zigzag puede tener en cuenta, igualmente, otros parámetros, por ejemplo, de espacio necesario o dejarse a la apreciación del usuario. A resistor manufactured by three-dimensional printing can be two-dimensional (that is, planar, deposited on a surface) or three-dimensional - passing, therefore, through non-coplanar points, which can be imposed. In the case of a two-dimensional resistance, a linear geometry can be adopted - for low resistance values - or zigzag or serpentine - for higher resistance values. These three different cases require different design algorithms. In this way, as illustrated in figure 11A, the user of a design interface according to the invention first defines the thermoplastic material to be used (step EA1), whose properties are known and stored in the database of BDM models and the resistance value R_user (R_user) to be reached (stage EA2), then (EA3) indicates whether the resistance is three-dimensional or must respect some imposed passage points. If so, the design interface will apply a three-dimensional resistor design algorithm, illustrated in Figures 11G and 11H. Otherwise, the system will determine autonomously (EA4), based on the value R_user (R_user), if it is convenient to perform a linear geometry (for example, if R_user (R_user) is less than a predefined threshold R_th), in which In this case, it will apply the algorithm illustrated in Figure 11B or a zigzag geometry (for example, if R_user (R_user) is greater than or equal to R_th), in which case it will apply the algorithm illustrated in Figures 11C to 11F. The choice between a linear and zigzag geometry can also take into account other parameters, for example, the space required or be left to the discretion of the user.

Sea la que sea la geometría elegida, el algoritmo de diseño aplicado define el volumen de la resistencia a fabricar (EA5). A continuación, (etapa EA6) un modelador CAO (diseño asistido por ordenador) genera una retícula triangular de este volumen en forma de triángulo, que se registra típicamente en forma de un archivo de estereolitografía en el formato STL. Se procede, a continuación, (etapa EA7) al recorte en tramos ("slicing" en inglés) de volumen definido por el archivo STL, lo que permite definir cada tramo de material depositado por el cabezal de extrusión y asociar ahí una trayectoria de desplazamiento del cabezal de impresión. El recorte se realiza por un software de tipo conocido de por sí, que depende de la impresora, que preferentemente permite, igualmente, parametrizar esta última determinando, en concreto, la temperatura de los bordes de la boquilla, la tasa o el ángulo de llenado, etc.Whatever the chosen geometry, the applied design algorithm defines the volume of the resistance to be manufactured (EA5). Next, (step EA6) a CAO (Computer Aided Design) modeler generates a triangular lattice of this triangle-shaped volume, which is typically recorded in the form of a stereolithography file in the STL format. Next, we proceed (step EA7) to cut into sections ("slicing" in English) of the volume defined by the STL file, which allows defining each section of material deposited by the extrusion head and associating a displacement path there print head. The trimming is carried out by a software of a type known per se, which depends on the printer, which preferably also allows the latter to be parameterized by determining, in particular, the temperature of the edges of the nozzle, the rate or the filling angle. , etc.

El conjunto de los desplazamientos de la boquilla y de los parámetros de la máquina se registran en el archivo de impresión FI, por ejemplo, en el formato GCode. All the nozzle movements and the machine parameters are recorded in the FI print file, for example in the GCode format.

El diagrama de flujo de la figura 11B ilustra el algoritmo de diseño de una resistencia lineal.The flow chart in Figure 11B illustrates the design algorithm for a linear resistor.

Para comenzar, el usuario proporciona como entrada al sistema informático la anchura Xmáx (EB1) y la longitud Ymáx (EB2) de la región, que se supone que es rectangular, que contiene la resistencia, la posición del punto que sirve como origen del sistema de coordenadas definido en esta región (EB3), así como las coordenadas de los puntos de contacto A y B de la resistencia en este sistema de coordenadas (EB4, EB5); estos puntos están situados, generalmente, sobre unos lados de esta región rectangular, en cualquier caso, esto será siempre el caso en la continuación. El sistema informático calcula, entonces, la longitud L del segmento AB (EB6), luego, la sección S=p L/R_user (R_usuario) necesaria para obtener la resistencia que se quiere (EB7), siendo p la resistividad del material, extraída de la base BDM.To begin, the user provides as input to the computer system the width Xmax (EB1) and the length Ymax (EB2) of the region, which is supposed to be rectangular, which contains the resistance, the position of the point that serves as the origin of the system of coordinates defined in this region (EB3), as well as the coordinates of the contact points A and B of the resistance in this coordinate system (EB4, EB5); these points are generally located on some sides of this rectangular region, in any case, this will always be the case in the continuation. The computer system then calculates the length L of segment AB (EB6), then the section S = p L / R_user (R_user) necessary to obtain the desired resistance (EB7), where p is the resistivity of the material, extracted of the BDM base.

La sección S es el producto de la anchura W de la resistencia por su espesor H, siendo estas dos magnitudes a determinar. El espesor H de la resistencia es un múltiplo entero del espesor e de un tramo de material depositado por el cabezal de extrusión, mientras que la anchura W está comprendida entre un valor mínimo Wmín función del cabezal de extrusión y la anchura admisible de la resistencia, Wmáx. Se comienza suponiendo H=e y se calcula la anchura correspondiente: W=S/H. Si se encuentra un valor superior a la anchura máxima admisible Wmáx, se incrementa H en el valor e y, de este modo, seguidamente. Aunque no se ilustre esto en la figura, es posible que incluso con H=e se obtenga W<Wmáx. Esto significa que R_user (R_usuario) es demasiado elevada; por lo tanto, hay que ya sea aumentar la longitud L desplazando uno de los puntos de contacto (o los dos), ya sea cambiar de material, ya sea usar una geometría en zigzag. En principio, esta situación no debería presentarse si la geometría lineal se ha seleccionado automáticamente por el algoritmo de la figura 11A. Estas operaciones constituyen la etapa EB8.The section S is the product of the width W of the resistance and its thickness H, these two quantities being to be determined. The thickness H of the resistance is an integer multiple of the thickness e of a section of material deposited by the extrusion head, while the width W is between a minimum value Wmin as a function of the extrusion head and the admissible width of the resistance, Wmax. We start by assuming H = e and calculate the corresponding width: W = S / H. If a value greater than the maximum allowable width Wmax is found, H is increased by the value e and thus subsequently. Although this is not illustrated in the figure, it is possible that even with H = e we will obtain W <Wmax. This means that R_user (R_user) is too high; Therefore, it is necessary either to increase the length L by moving one of the contact points (or both), or to change the material, or to use a zigzag geometry. In principle, this situation should not arise if the linear geometry has been selected automatically by the algorithm of Figure 11A. These operations constitute stage EB8.

A continuación, (EB9) se verifica que el valor R=RHOL/S sea bien igual a R_user (R_usuario). Si este no es el caso, el usuario tiene la posibilidad de cambiar el material usado, en cuyo caso el algoritmo se reanuda a partir de la etapa EB7; si no desea hacerlo, el sistema informático desplaza uno de los puntos A y B (o los dos) para modificar la longitud L hasta que R=R_user (R_usuario) (EB10).Next, (EB9) it is verified that the value R = RHOL / S is well equal to R_user (R_user). If this is not the case, the user has the possibility to change the used material, in which case the algorithm resumes from step EB7; If you don't want to, the computer system shifts one of points A and B (or both) to change the length L until R = R_user (R_user) (EB10).

El algoritmo de diseño de una resistencia en zigzag se ilustra en las figuras 11C a 11F.The algorithm for designing a zigzag resistor is illustrated in Figures 11C through 11F.

Como en el caso de la resistencia lineal, el usuario proporciona como entrada al sistema informático la anchura Wmáx (EC1) y la longitud Ymáx (EC2) de la región, que se supone que es rectangular, que contiene la resistencia, así como las coordenadas del origen del sistema de coordenadas (EC3). Igualmente, proporciona la anchura W y el espesor H del "hilo" resistivo que forma el patrón en zigzag (EC4, EC5), lo que permite que el sistema calcule la longitud de este hilo: L=R_user (R_usuario)WH/RHO (EC6). A continuación, el usuario proporciona como entrada las coordenadas de los puntos de contacto A y B de la resistencia (EC7, EC8), lo que permite que el sistema determine si estos puntos se encuentran sobre unos lados opuestos de la región rectangular, sobre un mismo lado o sobre unos lados adyacentes (y ortogonales). A estos tres casos de figura corresponden tres algoritmos diferentes, que se ilustran por las figuras 11D, 11E y 11F, respectivamente.As in the case of linear resistance, the user provides as input to the computer system the width Wmax (EC1) and the length Ymax (EC2) of the region, which is supposed to be rectangular, containing the resistance, as well as the coordinates the origin of the coordinate system (EC3). Likewise, it provides the width W and the thickness H of the resistive "wire" that forms the zigzag pattern (EC4, EC5), which allows the system to calculate the length of this wire: L = R_user (R_user) WH / RHO ( EC6). Next, the user provides as input the coordinates of the contact points A and B of the resistor (EC7, EC8), which allows the system to determine if these points are on opposite sides of the rectangular region, on a same side or on adjacent (and orthogonal) sides. To these three figure cases correspond three different algorithms, which are illustrated by Figures 11D, 11E and 11F, respectively.

Cuando el punto B se encuentra en frente de A (figura 11D), el recorrido del hilo conductor se determina partiendo del punto A (etapa ED1), desplazándose en un paso predefinido de longitud DELTA_mín (pequeña con respecto a las dimensiones de la región rectangular que contiene la resistencia, pero superior a la anchura W del hilo) hacia el lado donde se encuentra B y perpendicularmente al lado donde se encuentra A (ED2). Luego, se desplaza paralelamente al lado de A, en la dirección del vértice en este lado más alejado de A, deteniéndose a una distancia DELTA_mín del borde de la región rectangular, para conservar un margen de seguridad (ED3). A continuación, se desplaza también una vez de la longitud DELTA_mín hacia el lado donde se encuentra B y perpendicularmente al lado donde se encuentra A (ED4). La distancia recorrida desde el inicio se memoriza, a continuación, y se almacena en una variable dist_p (ED5). En este punto, se calcula la distancia mínima que queda por recorrer, en línea recta, para alcanzar B (ED6). Si la suma de dist_p y de esta distancia mínima excede L (calculado en la etapa EC6), esto significa que no es posible realizar una resistencia en zigzag del valor que se quiere; por lo tanto, hay que cambiar de material. De otro modo, el sistema determina si los puntos A y B están en frente en la dirección x o en la dirección y. En la continuación, se considera solamente el primer caso (etapas ED7, ED8, ED9); las operaciones efectuadas en el caso opuesto son completamente similares (etapas ED7', ED8', ED9').When point B is in front of A (figure 11D), the path of the conductive wire is determined starting from point A (step ED1), moving in a predefined step of length DELTA_min (small with respect to the dimensions of the rectangular region containing the resistance, but greater than the width W of the wire) towards the side where B is located and perpendicular to the side where A is located (ED2). Then, it travels parallel to the side of A, in the direction of the vertex on this side farthest from A, stopping at a DELTA_min distance from the edge of the rectangular region, to preserve a margin of safety (ED3). Then, it also moves one time of the length DELTA_min towards the side where B is located and perpendicular to the side where A is located (DI4). The distance traveled since the beginning is then memorized and stored in a variable dist_p (DI5). At this point, the minimum distance that remains to be traveled, in a straight line, to reach B (ED6) is calculated. If the sum of dist_p and this minimum distance exceeds L (calculated in step EC6), this means that it is not possible to perform a zigzag resistance of the desired value; therefore, you have to change the material. Otherwise, the system determines whether points A and B are opposite in the x direction or in the y direction. In the continuation, only the first case is considered (steps ED7, ED8, ED9); the operations carried out in the opposite case are completely similar (steps ED7 ', ED8', ED9 ').

La resistencia en zigzag está constituida sustancialmente por un cierto número nb_p de patrones (meandros) formados por un trazo corto, de una longitud d, en la dirección perpendicular a los lados que llevan A y B (dirección x, en el ejemplo considerado en el presente documento) y por un trazo largo, de una longitud D, en la dirección perpendicular, más dos segmentos de extremo - de una longitud dist_p en el lado de A y de una longitud a calcular en el lado de B. Durante la etapa ED7, se busca resolver el sistema:The zigzag resistance is substantially constituted by a certain number nb_p of patterns (meanders) formed by a short line, of length d, in the direction perpendicular to the sides that lead A and B (direction x, in the example considered in the present document) and by a long stroke, of length D, in the perpendicular direction, plus two end segments - of a length dist_p on the side of A and of a length to be calculated on the side of B. During step ED7 , it seeks to solve the system:

nb_p-(d+D)<L-dist_pnb_p- (d + D) <L-dist_p

nb_pd<Xmáx-2DELTA_mínnb_pd <Xmax-2DELTA_min

haciendo una hipótesis sobre el valor de D (ya que se tienen tres incógnitas y solamente dos desigualdades). La hipótesis inicial es: D=Ymáx-2DELTA_mín. making a hypothesis about the value of D (since there are three unknowns and only two inequalities). The initial hypothesis is: D = Ymax-2DELTA_min.

Durante la etapa ED8, se verifica si la solución encontrada verifica la condición d>DELTA_mín. Si este no es el caso, el valor de D se decrementa de DELTA_mín (ED9) y la etapa ED7 se ejecuta de nuevo.During step ED8, it is verified if the solution found verifies the condition d> DELTA_min. If this is not the case, the value of D is decremented from DELTA_min (DI9) and step DI7 is executed again.

El trozo final está constituido por el camino más corto que conecta el extremo terminal del último patrón con B (ED10). En general, para obtener una longitud total igual a L, será necesario ajustar la longitud del último trazo largo (penúltimo trozo de la resistencia, que, por lo tanto, no será necesariamente igual a D. Para construir el volumen de la resistencia a partir del recorrido determinado de este modo, no queda, entonces, más que aplicar la anchura del hilo W (ED11). The final piece is constituted by the shortest path that connects the terminal end of the last pattern with B (ED10). In general, to obtain a total length equal to L, it will be necessary to adjust the length of the last long stroke (penultimate piece of the resistor, which, therefore, will not necessarily be equal to D. To build the volume of the resistor from of the path determined in this way, then, there remains only to apply the width of the wire W (ED11).

Cuando el punto B se encuentra sobre el mismo lado que A (figura 11E), el recorrido del hilo conductor se determina partiendo del punto A (etapa EE1), desplazándose en un paso predefinido de longitud DELTA_mín (pequeña con respecto a las dimensiones de la región rectangular que contiene la resistencia, pero superior a la anchura W del hilo) en la dirección perpendicular al lado donde se encuentran los puntos A y B (EE2). Luego, (EE3) se desplaza paralelamente a este lado y en oposición de B, hasta no dejar más que una distancia de seguridad DELTA_mín en el lado perpendicular al de inicio. Luego, se desplaza también de la distancia DELTA_mín en la dirección del primer desplazamiento, es decir, perpendicularmente al lado que lleva A y B (EE4). Las siguientes etapas - EE7, EE8 a EE10, EE8' a EE10', EE11, EE12- son idénticas a las etapas ED6, ED7 a ED9 y ED7' a ED9', ED10 y ED11 descritas aquí arriba.When point B is on the same side as A (figure 11E), the path of the conductive wire is determined starting from point A (step EE1), moving in a predefined step of length DELTA_min (small with respect to the dimensions of the rectangular region containing the resistance, but greater than the width W of the wire) in the direction perpendicular to the side where points A and B meet (EE2). Then, (EE3) moves parallel to this side and in opposition to B, until leaving no more than a safety distance DELTA_min on the side perpendicular to the starting side. Then, it also moves the distance DELTA_min in the direction of the first offset, that is, perpendicular to the side that leads A and B (EE4). The next steps - EE7, EE8 to EE10, EE8 'to EE10', EE11, EE12 - are identical to steps ED6, ED7 to ED9 and ED7 'to ED9', ED10 and ED11 described above.

Cuando el punto B se encuentra sobre un lado adyacente y, por lo tanto, perpendicular, al que lleva el punto A (figura 11F), el recorrido del hilo conductor se determina partiendo del punto A (etapa EF1), desplazándose en un paso predefinido de longitud DELTA_mín (pequeña con respecto a las dimensiones de la región rectangular que contiene la resistencia, pero superior a la anchura W del hilo) en la dirección perpendicular al lado donde se encuentra el punto A (EF2), luego, desplazándose paralelamente a este lado y en dirección del lado opuesto al que lleva el punto B, hasta una distancia de seguridad DELTA_mín de este último (EF3). A continuación, se desplaza paralelamente a este lado hasta dejar una distancia de seguridad DELTA_mín en el lado opuesto al de A (EF4). La continuación (etapas EF5 -EF11) es idéntica a los casos anteriores.When point B is on an adjacent side and, therefore, perpendicular, to which point A leads (figure 11F), the path of the conductive wire is determined starting from point A (step EF1), moving in a predefined step of length DELTA_min (small with respect to the dimensions of the rectangular region containing the resistance, but greater than the width W of the wire) in the direction perpendicular to the side where point A (EF2) is located, then, moving parallel to this side and in the direction of the opposite side to that bearing point B, up to a safety distance DELTA_min from the latter (EF3). Next, it moves parallel to this side until leaving a safety distance DELTA_min on the opposite side to that of A (EF4). The continuation (steps EF5 -EF11) is identical to the previous cases.

El último caso de figura, el de una resistencia tridimensional, es objeto de las figuras 11G y 11H. Primeramente, el usuario debe definir un volumen en el que se define la resistencia, los puntos de inicio (A) y de llegada (B), así como unos puntos intermedios de pasaje (EG1). Es importante señalar que, en la técnica de impresión tridimensional FDM, un volumen se presenta en forma de un apilamiento de capas de espesor predefinido. Por lo tanto, la posición de un punto se puede definir identificando la capa a la que pertenece y dando sus coordenadas bidimensionales en el interior de esta última. Para definir el recorrido de la resistencia, se parte del punto A (EG2), se identifica la proyección pt_s del siguiente punto de pasaje sobre la capa que contiene A - o, más generalmente, el punto corriente pt_c (EG3) y se determina la distancia a recorrer para alcanzar esta proyección (EG4), así como la diferencia de altura entre la capa del punto corriente y la del siguiente punto (EG5). La distancia L_cs entre los puntos pt_c y pt_s es la suma de la distancia en el plano, determinada en la etapa EG3 y de la diferencia de altura (EG6); esta distancia está memorizada. A continuación, se pasa al siguiente punto y, de este modo, seguidamente, hasta llegar al punto B. Entonces, se calcula L_calc, suma de las longitudes L_cs (EG7). El conocimiento de la resistividad RHO del material permite, entonces, calcular la sección S del patrón resistivo (EG8); a partir del conocimiento de esta sección, el espesor y la anchura se calculan como se ha explicado esto con referencia al caso lineal de la figura 11B (etapa EG9). Entonces, se verifica si la resistencia obtenida de este modo, R_calc, tiene el valor que se quiere R_user (R_usuario) (EG10). Si R_calc, < R_user (R_usuario) y si el usuario no desea cambiar de material, hay que reemplazar al menos ciertos de los segmentos rectos que conectan dos puntos de pasaje sucesivos en el interior de una misma capa por unos zigzags. Para hacer esto, se expresa la longitud de cada segmento intermedio como porcentaje de L_calc (EG11) y se le atribuye una resistencia a alcanzar que corresponde al mismo porcentaje de R_user (R_usuario) (EG 12). Entonces, se procede como en el caso de la figura 11D - las etapas EG13 - EG16 corresponden a las etapas ED2 - ED5, las etapas EG17, EG18, EG19 a las etapas ED7 a ED9 y ED7' a ED9' y las etapas ED20, ED21 a las etapas ED10 y ED11.The last figure case, that of a three-dimensional resistance, is the subject of Figures 11G and 11H. First, the user must define a volume in which the resistance, the starting points (A) and the arrival points (B), as well as some intermediate points of passage (EG1) are defined. It is important to note that, in the FDM three-dimensional printing technique, a volume is presented in the form of a stack of layers of predefined thickness. Therefore, the position of a point can be defined by identifying the layer to which it belongs and giving its two-dimensional coordinates inside the latter. To define the resistance path, we start from point A (EG2), identify the projection pt_s of the next point of passage on the layer containing A - or, more generally, the current point pt_c (EG3) and determine the distance to travel to reach this projection (EG4), as well as the difference in height between the layer of the current point and that of the next point (EG5). The distance L_cs between the points pt_c and pt_s is the sum of the distance in the plane, determined in step EG3, and the difference in height (EG6); this distance is memorized. Then, it goes to the next point and, thus, until reaching point B. Then, L_calc is calculated, the sum of the lengths L_cs (EG7). The knowledge of the resistivity RHO of the material allows, then, to calculate the section S of the resistive pattern (EG8); From the knowledge of this section, the thickness and width are calculated as explained with reference to the linear case of Fig. 11B (step EG9). Then, it is verified if the resistance obtained in this way, R_calc, has the value that we want R_user (R_user) (EG10). If R_calc, <R_user (R_user) and if the user does not want to change the material, it is necessary to replace at least some of the straight segments that connect two successive passage points within the same layer with zigzags. To do this, the length of each intermediate segment is expressed as a percentage of L_calc (EG11) and a resistance to be reached is attributed to it that corresponds to the same percentage of R_user (R_user) (EG 12). Then, proceed as in the case of figure 11D - stages EG13 - EG16 correspond to stages ED2 - ED5, stages EG17, EG18, EG19 to stages ED7 to ED9 and ED7 'to ED9' and stages ED20, ED21 to steps ED10 and ED11.

Otro ejemplo de componente eléctrico que puede fabricarse por impresión tridimensional de conformidad con la invención y cuya fabricación puede facilitarse por el uso de una interfaz de programación, es una galga de deformación (o solicitación) uniaxial de tipo piezorresistivo.Another example of an electrical component that can be manufactured by three-dimensional printing in accordance with the invention and whose manufacture can be facilitated by the use of a programming interface, is a uniaxial strain (or stress) gauge of the piezoresistive type.

La variación relativa de resistencia AR de un elemento piezorresistivo que presenta una resistencia en reposo R0 vale:The relative variation of resistance AR of a piezoresistive element that presents a resistance at rest R0 is equal to:

AR/R0 = k-eAR / R0 = k-e

donde k es la sensibilidad piezorresistiva y e la deformación, con e=AL/lo, siendo AL la variación de longitud y L la longitud en reposo del elemento. Durante el diseño de un sensor, la longitud (y, por lo tanto, la resistencia) inicial es función de la tasa de llenado del volumen del sensor.where k is the piezoresistive sensitivity and e the deformation, with e = AL / lo, where AL is the length variation and L is the length at rest of the element. During sensor design, the initial length (and therefore resistance) is a function of the fill rate of the sensor volume.

Como cualquier elemento fabricado por impresión tridimensional FDM, un sensor piezorresistivo está formado por unos filamentos o bandas; esta estructura se ilustra en la figura 12A. El sensor funciona por el acercamiento o el alejamiento de las bandas bajo el efecto de una solicitación. En efecto, si se acercan las bandas, se crean unos microcontactos que hacen caer la resistencia. A la inversa, si se alejan las bandas, la intensidad corriente que circula es más escasa. Se comprende que la sensibilidad a las deformaciones es mucho más importante para las deformaciones paralelas al eje pequeño de llenado, indicado por d en la figura 12A, que para deformaciones paralelas al eje grande D.Like any element manufactured by FDM three-dimensional printing, a piezoresistive sensor is made up of filaments or bands; this structure is illustrated in Figure 12A. The sensor works by moving the bands closer or farther under the effect of a stress. Indeed, if the bands are brought closer together, microcontacts are created which cause the resistance to drop. Conversely, if the bands move apart, the current flowing is lower. It is understood that sensitivity to deformations is much more important for deformations parallel to the small fill axis, indicated by d in Figure 12A, than for deformations parallel to the large axis D.

Si la tasa de llenado es igual a un 100 %, lo que significa que las bandas están perfectamente unidas y en contacto mutuo sobre toda su longitud, las variaciones de resistencia no serán medibles. Lo mismo sucederá en el caso de una tasa de llenado demasiado escasa. De manera empírica, se ha constatado que unas tasas de llenado de un 40 a un 70 % dan unos resultados completamente aceptables para la mayor parte de los materiales considerados.If the fill rate is equal to 100%, which means that the belts are perfectly joined and in contact with each other over their entire length, the resistance variations will not be measurable. The same will happen in the case of too low a fill rate. Empirically, it has been found that filling rates of 40 to 70% give completely acceptable results for most of the materials considered.

Una comparación de las figuras 12A y 12B permite constatar que un llenado a un 40 % (fig. 12A) implica una longitud de filamento más escasa que con un llenado a un 70 % (fig. 12b ). En un sensor con una tasa de llenado de orden de un 70 %, la conductividad depende de manera importante de la percolación de la corriente, es decir, de la presencia de microcaminos conductores que conectan los meandros entre sí. Estos microcaminos pueden estar fácilmente interrumpidos por unas deformaciones escasas de la estructura, lo que hace que un sensor que tiene una tasa de llenado elevada - pero no demasiado, por ejemplo, del orden de un 70 % - será capaz de detectar unas deformaciones más pequeñas que un sensor con una tasa de llenado de solamente un 40 %. Sin embargo, un sensor de este tipo también será más sensible a los defectos de fabricación, por ejemplo, cortocircuitos provocados por un cabezal de extrusión sucio. A señalar que, en los ejemplos de las figuras 12A y 12B, se han depositado varias capas de material resistivo, con unos ángulos de depósito perpendiculares, lo que conduce a una sensibilidad piezorresistiva isótropa. A comparison of Figures 12A and 12B shows that a filling at 40% (Figure 12A) implies a shorter filament length than with a filling at 70% (Figure 12b). In a sensor with a fill rate of the order of 70%, the conductivity depends significantly on the percolation of the current, that is, on the presence of conductive micropaths that connect the meanders to each other. These micropaths can be easily interrupted by few deformations of the structure, which means that a sensor that has a high filling rate - but not too much, for example, of the order of 70% - will be able to detect smaller deformations. than a sensor with a fill rate of only 40%. However, such a sensor will also be more sensitive to manufacturing defects, for example short circuits caused by a dirty extrusion head. It should be noted that, in the examples of Figures 12A and 12B, several layers of resistive material have been deposited, with perpendicular deposition angles, which leads to isotropic piezoresistive sensitivity.

El diagrama de flujo de la figura 13 ilustra las etapas de diseño de un sensor de solicitación piezorresistivo. En primer lugar, (etapa EP1)The flow chart of Figure 13 illustrates the design steps of a piezoresistive stress sensor. First, (EP1 step)

El usuario realiza la forma que desea en el software de CAO y la importa en formato STL (retícula con unos triángulos del volumen). A continuación, con el fin de estar seguro de que el sensor será lo suficientemente flexible y resistente, se fija su altura H en un valor predefinido, por ejemplo, tres veces el espesor de impresión e (EP2).The user makes the desired shape in the CAO software and imports it in STL format (grid with some triangles of the volume). Then, in order to be sure that the sensor will be flexible and strong enough, its height H is set to a predefined value, for example three times the printing thickness e (EP2).

La última capa servirá como sensor. Las otras capas pueden, por ejemplo, realizarse de material aislante con un llenado fijo, generalmente, comprendido entre un 60 y un 100 % y, por ejemplo, igual a un 70 %, para dejar más o menos flexibilidad al sensor (EP3). Como variante, las capas conductoras o resistivas que presentan otra función pueden estar presentes, igualmente, por debajo de la que sirve como sensor de solicitación.The last layer will serve as a sensor. The other layers can, for example, be made of insulating material with a fixed filling, generally between 60 and 100% and, for example, equal to 70%, to leave more or less flexibility to the sensor (EP3). As a variant, conductive or resistive layers that have another function can also be present below the one that serves as a stress sensor.

Sobre la capa del sensor, el usuario define la posición de los electrodos (EP4) y elige el material resistivo, de entre una lista que se le propone (EP5), así como la sensibilidad que se quiere - igualmente, de entre una lista de valores posibles (EP6). El llenado se hace, generalmente, en modo rectilíneo (EP7), con una dirección principal de llenado perpendicular al eje definido por los dos electrodos (EP8).On the sensor layer, the user defines the position of the electrodes (EP4) and chooses the resistive material, from a list that is proposed (EP5), as well as the sensitivity that is wanted - also, from a list of possible values (EP6). Filling is generally done in a rectilinear mode (EP7), with a main filling direction perpendicular to the axis defined by the two electrodes (EP8).

Una tabla, construida durante una etapa previa de calibración y registrada en una memoria del ordenador que ejecuta el procedimiento, permite encontrar la tasa de llenado que permite alcanzar la sensibilidad que se quiere, dados el material elegido y la geometría que se quiere (EP9).A table, built during a previous calibration stage and recorded in a memory of the computer that executes the procedure, allows finding the filling rate that allows reaching the desired sensitivity, given the chosen material and the desired geometry (EP9) .

La velocidad de impresión (EP10) se puede determinar en función de la tasa de llenado, igualmente, determinada, típicamente por medio de otra tabla de correspondencia construida por calibración. Por ejemplo, se puede elegir una velocidad de impresión escasa para unas tasas de llenado importantes, con el fin de evitar los cortocircuitos que pueden producirse cuando unos residuos de filamento permanecen pegados a la boquilla y se despegan de manera repentina durante la impresión. Para unas tasas de llenado más escasas, la separación de las líneas de pasaje y, por lo tanto, la ausencia de materia en el pasaje de la boquilla, es suficiente, generalmente, para evitar que llegue a pegarse un residuo; por lo tanto, se puede imprimir a una velocidad más elevada, por ejemplo, de 60 mm/s. Como variante, se puede usar una velocidad de impresión relativamente escasa (por ejemplo, 30 mm/s) independientemente de la tasa de llenado.The printing speed (EP10) can be determined as a function of the fill rate, also determined, typically by means of another correspondence table constructed by calibration. For example, a low print speed can be chosen for high fill rates to avoid short circuits that can occur when filament residue sticks to the nozzle and suddenly peels off during printing. For lower fill rates, the spacing of the passage lines, and therefore the absence of matter in the nozzle passage, is generally sufficient to prevent residue from sticking; therefore, it can be printed at a higher speed, for example 60mm / s. As a variant, a relatively low print speed (eg 30mm / s) can be used regardless of the fill rate.

La invención se ha descrito con referencia a unos sistemas mecatrónicos que incluyen unos sensores piezorresistivos. Sin embargo, la invención no se limita a este caso de figura. En efecto, es posible, en particular, eligiendo de manera oportuna las cargas contenidas en la matriz termoplástica, imprimir por FLM unos materiales sensibles a la temperatura, a la luz, a los agentes químicos, etc. para obtener unos sensores térmicos, ópticos, químicos, respectivamente. Por otro lado, a partir de materiales conductores y aislante, es posible fabricar unos sensores capacitivos o inductivos y unas antenas usables en transmisión y/o en recepción. Es posible, igualmente, realizar unos actuadores térmicos, electrostáticos, magnéticos (usando unas cargas ferromagnéticas) o incluso piezoeléctricos. Es posible, igualmente, imprimir unos OLED (diodos electroluminiscentes orgánicos) y/o unas células fotovoltaicas orgánicas.The invention has been described with reference to mechatronic systems that include piezoresistive sensors. However, the invention is not limited to this figure case. Indeed, it is possible, in particular, by choosing the fillers contained in the thermoplastic matrix in a timely manner, to print by FLM materials sensitive to temperature, light, chemical agents, etc. to obtain thermal, optical, chemical sensors, respectively. On the other hand, from conductive and insulating materials, it is possible to manufacture capacitive or inductive sensors and antennas usable in transmission and / or reception. It is also possible to create thermal, electrostatic, magnetic actuators (using ferromagnetic charges) or even piezoelectric ones. It is also possible to print OLEDs (organic light-emitting diodes) and / or organic photovoltaic cells.

En ciertos casos, la invención permitirá la realización de un sistema mecatrónico enteramente impreso. En otros casos, solo se imprimirá una parte del subconjunto eléctrico/electrónico de un sistema de este tipo (sensores, líneas conductoras, actuadores...), mientras que otros componentes - por ejemplo, unos circuitos integrados que realizan unas funciones electrónicas complejas, se podrán incorporar. Incluso en este último caso, la invención permite reducir el número de operaciones de ensamblaje y, por lo tanto, hacer la fabricación del sistema mecatrónico más rápida y menos onerosa.In certain cases, the invention will allow the realization of a fully printed mechatronic system. In other cases, only a part of the electrical / electronic sub-assembly of such a system (sensors, conductive lines, actuators ...) will be printed, while other components - for example, integrated circuits that perform complex electronic functions, may be incorporated. Even in the latter case, the invention makes it possible to reduce the number of assembly operations and, therefore, to make the manufacture of the mechatronic system faster and less expensive.

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Claims (10)

REIVINDICACIONES 1. Procedimiento de fabricación de un sistema mecatrónico que comprende:1. Manufacturing procedure of a mechatronic system that includes: - una etapa de fabricación de una estructura mecánica (SM) por impresión tridimensional por depósito de hilo fundido de al menos un primer material (M1 ) eléctricamente aislante (M1 ); y- a stage of manufacturing a mechanical structure (SM) by three-dimensional printing by depositing molten wire of at least one first electrically insulating material (M1) (M1); Y - una etapa de fabricación de al menos un componente eléctrico (CE) en contacto con al menos un elemento de dicha estructura mecánica y solidario con ella;- a manufacturing step of at least one electrical component (CE) in contact with at least one element of said mechanical structure and integral with it; dicha etapa de fabricación de al menos un componente eléctrico se implementa por impresión tridimensional por depósito de hilo fundido de al menos un segundo material (M2), conductor o resistivo, directamente en contacto con dicho elemento de la estructura mecánica, caracterizado porque dicho o un dicho componente eléctrico es un transductor (JC1, JC2),said manufacturing step of at least one electrical component is implemented by three-dimensional printing by depositing molten wire of at least one second material (M2), conductive or resistive, directly in contact with said element of the mechanical structure, characterized in that said or a said electrical component is a transducer (JC1, JC2), incluyendo el procedimiento, igualmente, una etapa de recocido local implementada durante o después del depósito de una capa del primer o del segundo material, en correspondencia de dicho depósito.The process also includes a local annealing stage implemented during or after the deposit of a layer of the first or second material, corresponding to said deposit. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho transductor (JC1, JC2) es un sensor piezorresistivo. 2. Method according to claim 1, wherein said transducer (JC1, JC2) is a piezoresistive sensor. 3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho segundo material, conductor o resistivo, comprende unas cargas conductoras (CM2) dispersas en una matriz aislante termoplástica (MM2).3. Process according to one of the preceding claims, wherein said second material, conductive or resistive, comprises conductive charges (CM2) dispersed in a thermoplastic insulating matrix (MM2). 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que incluye, igualmente, una etapa de depósito de un agente promotor de adhesión (APA) sobre una superficie del sistema mecatrónico en el transcurso de la fabricación antes del depósito, por encima de dicha superficie, de una capa de un material diferente.4. Process according to one of the preceding claims, also including a step of depositing an adhesion promoting agent (APA) on a surface of the mechatronic system during manufacture before depositing, above said surface, of a layer of a different material. 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende el uso de al menos dos cabezales de extrusión (TE1, TE2) distintos para el depósito del primer y del segundo material.Method according to one of the preceding claims, comprising the use of at least two different extrusion heads (TE1, TE2) for depositing the first and second material. 6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, igualmente, una etapa de generación de un archivo de impresión (FI) para la realización de al menos un dicho componente eléctrico, estando dicha etapa implementada por ordenador y comprendiendo:Method according to one of the preceding claims, also comprising a step of generating a print file (FI) for the production of at least one said electrical component, said step being implemented by computer and comprising: - una subetapa que consiste en proporcionar a dicho ordenador unos datos indicativos de una posición de uno o varios puntos de contacto, de una región espacial donde debe fabricarse dicho componente y de al menos una propiedad eléctrica de dicho componente;- a substep consisting of providing said computer with data indicative of a position of one or more contact points, of a spatial region where said component must be manufactured and of at least one electrical property of said component; - una subetapa de cálculo de una geometría de dicho componente por aplicación a dichos datos de un modelo matemático predefinido; y- a sub-step of calculating a geometry of said component by applying said data from a predefined mathematical model; Y - una subetapa de generación de dicho archivo de impresión que permite realizar dicha geometría por impresión tridimensional por depósito de hilo fundido de dicho o de al menos un dicho segundo material, conductor o resistivo.- a sub-stage of generation of said printing file that allows to make said geometry by three-dimensional printing by depositing molten wire of said or at least one said second material, conductive or resistive. 7. Aparato para la implementación de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende una impresora tridimensional (I3D) del tipo por depósito de hilo fundido que presenta al menos dos cabezales de extrusión distintos (TE1, TE2), activables de manera independiente y adaptados para depositar dos materiales diferentes, estando dichos cabezales de extrusión dispuestos uno al lado del otro con una misma dirección de extrusión y estando llevados por un mismo carro de impresión (CI) que asegura su desplazamiento simultáneo, incluyendo el cabezal de impresión, igualmente, un mecanismo (ATV) para desplazar un cabezal de extrusión inactivo en una dirección opuesta a dicha dirección de extrusión cuando dicho u otro dicho cabezal de extrusión está activo, caracterizado porque dicho carro de impresión está equipado con un sensor capacitivo (CC) configurado para medir su distancia de una superficie de impresión y porque el aparato comprende, igualmente, un generador (SRR) de un haz de radiación electromagnética, estando dicho generador configurado para producir un calentamiento local de un material depositado sobre una superficie de impresión de dicha impresora tridimensional.7. Apparatus for implementing a method according to one of claims 1 to 6, comprising a three-dimensional printer (I3D) of the type by depositing molten yarn that has at least two different extrusion heads (TE1, TE2), which can be activated from independently and adapted to deposit two different materials, said extrusion heads being arranged side by side with the same extrusion direction and being carried by the same printing carriage (CI) that ensures their simultaneous movement, including the print head likewise, a mechanism (ATV) to move an inactive extrusion head in a direction opposite to said extrusion direction when said or another said extrusion head is active, characterized in that said printing carriage is equipped with a capacitive sensor (CC) configured to measure its distance from a printing surface and because the apparatus also comprises a generator (SRR) of a beam of electromagnetic radiation, said generator being configured to produce local heating of a material deposited on a printing surface of said three-dimensional printer. 8. Aparato según la reivindicación 7, que comprende, igualmente, una plataforma de impresión (PLI) por encima de la cual se desplaza dicho carro de impresión, estando dicha plataforma equipada con electrodos metálicos (EET1, EET2) susceptibles de ser detectados por dicho sensor capacitivo, por medio de lo cual dicho sensor permite una calibración de la posición del carro de impresión con respecto a la plataforma.Apparatus according to claim 7, also comprising a printing platform (PLI) above which said printing carriage moves, said platform being equipped with metal electrodes (EET1, EET2) capable of being detected by said capacitive sensor, by means of which said sensor allows a calibration of the position of the printing carriage with respect to the platform. 9. Aparato según una de las reivindicaciones 7 a 8, equipado con:Apparatus according to one of claims 7 to 8, equipped with: - una cámara (CE) configurada para adquirir una imagen de una capa de material depositado por la impresora tridimensional;- a camera (CE) configured to acquire an image of a layer of material deposited by the three-dimensional printer; - un sistema de procesamiento de imágenes (STI) configurado para comparar dicha imagen con un modelo tridimensional almacenado en una memoria informática y deducir de ello un error de posición de dicho carro de impresión; y- an image processing system (ITS) configured to compare said image with a three-dimensional model stored in a computer memory and deduce therefrom a position error of said printing carriage; Y - un sistema informático de pilotaje (SIP) de dicho carro configurado para corregir dicho error de posición durante el depósito de una capa sucesiva de material.- A computerized steering system (SIP) of said carriage configured to correct said position error during the deposit of a successive layer of material. 10. Aparato según una de las reivindicaciones 7 a 9, que comprende, igualmente, un sistema informático (SGF) de generación de un archivo de impresión (FI) para pilotar dicha impresora tridimensional para fabricar un componente eléctrico, estando dicho sistema informático configurado para:Apparatus according to one of claims 7 to 9, also comprising a computer system (SGF) of generation of a print file (FI) to control said three-dimensional printer to manufacture an electrical component, said computer system being configured to: - recibir como entrada unos datos indicativos de una posición de uno o varios puntos de contacto, de una región espacial donde debe fabricarse dicho componente y de al menos una propiedad eléctrica de dicho componente; - calcular una geometría de dicho componente por aplicación a dichos datos de un modelo matemático predefinido; y- receiving as input data indicative of a position of one or more contact points, of a spatial region where said component must be manufactured and of at least one electrical property of said component; - calculating a geometry of said component by application to said data of a predefined mathematical model; Y - generar un archivo de impresión que permite realizar dicha geometría por impresión tridimensional por depósito de hilo fundido de al menos un material conductor o resistivo. - generating a printing file that allows to make said geometry by three-dimensional printing by depositing molten wire of at least one conductive or resistive material.
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